小型DC/DC開(kāi)關(guān)電源容性負載的研究

在DC／DC開(kāi)關(guān)電源的應用中，輸出負載端外接電容能起到濾波、抑制干擾的作用，在某些大容性負載動(dòng)態(tài)跳變的設備中，要求電源輸出端有快速響應，這就要求開(kāi)關(guān)電源有較強的帶容性負載的能力，并且有好的穩定性能。在開(kāi)關(guān)電源的設計過(guò)程中，要充分理解并實(shí)現客戶(hù)負載使用的特殊要求，必須分析開(kāi)關(guān)電源容性負載能力的兩種不同狀態(tài)要求。

1 容性負載的要求

開(kāi)關(guān)電源的基本特性中，一般并沒(méi)有對容性負載能力做出嚴格的規范。一般電源都可帶相當容性的負載，但考慮到電源的過(guò)流保護能力，尤其是輸出短路保護，容性負載能力不可能太大，否則保護能力變差。對于多路輸出的模塊所帶容性負載，其分配原則是電容的存儲總能量不能超過(guò)0．25J，包括主路的電容存儲能量與輔助電路的存儲能量的總和(1／2∑CU2)。依此計算，在設計中最大容性負載的選取如見(jiàn)表l(電路和輸出功率不同的模塊的最大容性負載會(huì )各不相同，實(shí)際選用和使用時(shí)需要參照相關(guān)給定的技術(shù)參數手冊)在實(shí)際設計和應用中，開(kāi)關(guān)電源輸出容性負載能力由以下兩種要求來(lái)調試和測試：

1)電源穩定工作，僅負載由空載到滿(mǎn)載跳變，輸出電壓穩定

當模塊正常工作時(shí)，DC／DC開(kāi)關(guān)電源可以等效為電壓源，其輸出等效電路圖和簡(jiǎn)化后的等效電路圖分別如圖1和圖2所示。其中，U是輸出電壓，RS是等效內阻，RL是輸出負載電阻，C是輸出

由上述計算，可以看出電容電壓VC是按指數規律不斷上升，要使輸出電壓更快更穩定的建立，電源輸出內阻要小，一般通過(guò)高增益、快速響應的輸出穩壓反饋環(huán)路，可以實(shí)現性能的改善和提高。

但由于存在輸出電感的儲能，電壓反饋和前端峰值電流控制的作用，電容電壓并不完全是由零開(kāi)始上升的指數波形，見(jiàn)圖3。

輸出電壓的穩定過(guò)程中，一方面由輸出濾波電感的儲能來(lái)逐步補充，另一方面由反饋環(huán)控制電路原邊快速輸出更大功率。輸出電感的取值一般由電流紋波系數λ和電源的空載特性來(lái)確定，為了避免容性跳變輸出電壓過(guò)大的下沖，使控制電路達到極限，電感的取值要大于λ的理論值計算所得數值，但同時(shí)也要考慮輸出失載時(shí)的電壓上沖幅度，所以輸出電感也不能太大，大的電感一般不易制作、成本較高，所以電感的實(shí)際取值可以用實(shí)驗的方法得到。圖4給出了輸出電感Lout不同取值時(shí)，容性負載突變時(shí)輸出電感電流的跳變波形和最大的容性負載能力。

由實(shí)驗得出輸出電感大的模塊帶的容性負載大，電感儲能有助于輸出電壓的穩定，限流保護電路工作時(shí)間短，但響應時(shí)間會(huì )相應長(cháng)一些。

2)模塊帶輸出電容啟動(dòng)，輸出電壓穩定

當模塊帶大電容啟動(dòng)時(shí)，需對電容迅速充電，以維持輸出電壓穩定，啟動(dòng)瞬間會(huì )產(chǎn)生一個(gè)大的電流。啟動(dòng)過(guò)程中大電流持續時(shí)間太長(cháng)，模塊控制芯片的保護功能就會(huì )達到極限，會(huì )出現啟動(dòng)不良現象即輸出電壓不能正常建立；另外，容性負載的大小直接影響輸出電壓的上升時(shí)間，在有嚴格輸出電壓上升時(shí)間要求的環(huán)境中就會(huì )出現應用故障。一般自饋電源的輸出電壓和供電電壓是正比關(guān)系，在輸出達到正常電壓之前，芯片VCC無(wú)法滿(mǎn)足供電要求。因此啟動(dòng)電路的供電方式和VCC電容的儲能也是決定容性負載能力的重要因素。

2 提高開(kāi)關(guān)電源容性負載能力的方法

如果輔助電源是獨立電源，可以用軟啟動(dòng)的方法使輸出電壓緩慢建立。對自饋供電來(lái)說(shuō)，軟啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)就難以啟動(dòng)，這時(shí)要增加VCC電容容量。VCC容量大，對單獨依靠芯片內部電流環(huán)起短路保護的模塊會(huì )有影響，因此必須在容性負載和過(guò)流(及短路保護)之間找一下平衡點(diǎn)。

適當使限流電阻取值減小，相當于提高電源的輸出功率，用于增加啟動(dòng)過(guò)程中提供給輸出端負載能量。調節反饋環(huán)路參數，使運放光耦等集成元件退飽和速度加快，可以解決容性負載跳變時(shí)OVERSHOOT嚴重的問(wèn)題，即提高了電源的穩定性能。

3 容性負載設計的典型案例

在Forward DC／DC變換器設計時(shí)，設計人員根據容性負載能力的兩項基本要求，通過(guò)調整限流電阻、啟動(dòng)電容的大小等相關(guān)參數，參照理論計算值，進(jìn)行調試和測試，金升陽(yáng)系列型號(VRB_LD_15W)DC／DC模塊的容性負載能力大大增強，滿(mǎn)足客戶(hù)在各種特殊環(huán)境中的廣泛應用。

4 容性負載能力的應用和總結

容性負載的需求大小與應用環(huán)境密切相關(guān)，容性負載能力是基于短路性能、過(guò)載保護能力之間的平衡選擇。在具有特殊規格要求的模塊設計中，一定要對上述參數進(jìn)行優(yōu)化調試，做到最優(yōu)設計，滿(mǎn)足特定的應用要求。