保持高效和可靠的設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)解決方案

DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入端的電容在保持轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用，并有助于濾除輸入端的電磁干擾（EMI）。DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端的大電容則會(huì)給電源系統(tǒng)帶來(lái)艱巨的挑戰(zhàn)。DC-DC轉(zhuǎn)換器的許多下游負(fù)載需要電容才能正確工作。這些負(fù)載可以是脈沖式功率放大器或輸入端需要電容的其它轉(zhuǎn)換器。如果負(fù)載端的電容值超過(guò)直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠處理的極限，電源系統(tǒng)的電流可能在啟動(dòng)和正常工作期間超出其最大額定值。電容還能引起電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，導(dǎo)致錯(cuò)誤的系統(tǒng)操作和過(guò)早的電源系統(tǒng)失效。

遇到給大電容負(fù)載供電的情況下，在電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的技術(shù)功率保持在其就能保持高效和可靠的設(shè)計(jì)?？s短啟動(dòng)時(shí)負(fù)載電容兩端施加的電壓上升時(shí)間可以使電源系統(tǒng)的電流保持在其額定范圍內(nèi)，在正常工作期間控制流入電容的充電電流可以使電源系統(tǒng)的額定范圍內(nèi)，而調(diào)整 系統(tǒng)的控制環(huán)路可以保持電源系統(tǒng)的穩(wěn)定，并使電源系統(tǒng)的電壓保持在其額定范圍內(nèi)。

啟動(dòng)時(shí)的考慮因素

在電源系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，典型的DC-DC轉(zhuǎn)換器都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的上升時(shí)間，這個(gè)時(shí)間由內(nèi)部誤差放大器基準(zhǔn)的上升時(shí)間來(lái)確定。放置在轉(zhuǎn)換器輸出端的放電電容將呈現(xiàn)為低阻抗負(fù)載。在這種低輸出阻抗的情況下，轉(zhuǎn)換器的少數(shù)開(kāi)關(guān)周期可能導(dǎo)致電容上產(chǎn)生足夠高的電壓變化，并迫使轉(zhuǎn)換器輸出電流超出其額定值。這個(gè)電容可以通過(guò)轉(zhuǎn)換器輸出端較高阻抗路徑進(jìn)行預(yù)充電。這個(gè)高阻抗元件將限制進(jìn)入電容的充電電流，直到電容被充電到一個(gè)預(yù)先定義好的電壓值。一旦達(dá)到預(yù)先定義好的電壓值，就可以將高阻抗路徑移除或用一個(gè)低阻抗器件（如FET）短路掉。

轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)這條更低阻抗的路徑提供最大額定電流。當(dāng)FET將這條阻抗路徑短路掉時(shí)，將允許轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)幅電壓給電容充電。FET的導(dǎo)通時(shí)間以及電容與轉(zhuǎn)換器電壓之間的壓差決定了將電容充電到滿(mǎn)幅電壓所需的充電電流，因此將預(yù)定義電壓值設(shè)定為FET導(dǎo)通不會(huì)造成轉(zhuǎn)換器超過(guò) 其額定電流的那個(gè)點(diǎn)非常重要。圖1所示的框圖可以用來(lái)將電容充電到預(yù)設(shè)的最小電壓。U2用于控制FET以便在必要時(shí)短路電阻Z，U1電路與U2一起用來(lái)設(shè)置導(dǎo)通電壓和負(fù)載使能。

圖1：電容預(yù)充電框圖

在啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)換器將電容看作是負(fù)載以及電容之后的系統(tǒng)負(fù)載。如果在高阻抗預(yù)充電期間系統(tǒng)負(fù)載需要消耗來(lái)自電容的電流，那么電容可能 就達(dá)不到預(yù)設(shè)的充電電壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器的許多下游負(fù)載都有欠壓鎖定功能，在欠壓鎖定狀態(tài)它們只需很小的電流。如果負(fù)載在預(yù)設(shè)充電電壓之上沒(méi)有欠壓鎖定功能，那就應(yīng)該使用外部使能信號(hào)。如果負(fù)載本身是阻性的，可以在電容充電完成后用串聯(lián)開(kāi)關(guān)使能到負(fù)載的電壓。圖2顯示了一個(gè)給10mF電容充電的系統(tǒng)的電壓和電流。

圖2：給一個(gè)10KuF電容充電的12V直流轉(zhuǎn)換器

一旦電容被充電，負(fù)載就可以開(kāi)始從電容和DC-DC轉(zhuǎn)換器抽取電流。有些負(fù)載要求快速獲得電流，如果這個(gè)要求超出了轉(zhuǎn)換器帶寬能力，電流將由電容來(lái)提供。一旦電流由電容來(lái)提供，電容上的電壓就會(huì)下降：

其中Vdrop是電容上的壓降，I是需要的電流值，C是電容值，dt是抽取電流的時(shí)長(zhǎng)。轉(zhuǎn)換器將把電容重新充電到最初的值，這樣做的時(shí)候轉(zhuǎn)換器輸出電流可能超出其額定值。轉(zhuǎn)換器和完全放電電容之間的壓差除以?xún)蓚€(gè)電壓之間的電阻決定了想要的再次充電電流。為了減少系統(tǒng)損耗，兩個(gè)電壓之間的電阻通常很低，因此想要的再次充電電流可能高于轉(zhuǎn)換器的最大值。由于電容電壓接近轉(zhuǎn)換器的設(shè)定點(diǎn)電壓，超出轉(zhuǎn)換器 最大電流值也就可能意味著超過(guò)轉(zhuǎn)換器的最大功率值。

為了防止轉(zhuǎn)換器在正常工作時(shí)超過(guò)其額定電流和額定功率，可以使用圖3中的電流控制框圖來(lái)控制高di/dt事件之后的再次充電電流。這個(gè)電路可以監(jiān)視分流電阻上的電流，并通過(guò)主動(dòng)調(diào)低轉(zhuǎn)換器電壓來(lái)限制再充電電流。轉(zhuǎn)換器和電容之間受限制的這個(gè)電壓差將限制電容的再充電電流，從而保證轉(zhuǎn)換器在其電流和功率極限范圍內(nèi)。當(dāng)電容電壓上升時(shí)，轉(zhuǎn)換器電壓也隨之上升，直至達(dá)到它的設(shè)定值。

圖3所示的限流方法可以與圖1中的預(yù)充電方法結(jié)合起來(lái)使用，實(shí)現(xiàn)更快的啟動(dòng)過(guò)程。預(yù)充電電路可以將電容充電到轉(zhuǎn)換器的最小調(diào)整電壓，然后轉(zhuǎn)換器再以最大額定電流給電容全速充電?？刂戚敵鲭妷旱纳仙俾士梢赃_(dá)到控制給電容充電的電流的目的。然而，大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器 都只有距它們的標(biāo)稱(chēng)設(shè)定電壓很窄的控制或調(diào)整范圍。典型的調(diào)整區(qū)間是±10%。有些制造商可以提供更寬的調(diào)整范圍，轉(zhuǎn)換器甚至可以調(diào)低 到標(biāo)稱(chēng)設(shè)定電壓的-90%。電壓調(diào)整范圍越小，對(duì)使能電路的要求就越低，因?yàn)橄掠呜?fù)載通常在接近它們的工作電壓最小值時(shí)具有欠壓鎖定功能。

圖3：外部電流限制框圖

穩(wěn)定性考慮

一旦轉(zhuǎn)換器在啟動(dòng)和工作期間被保持在其極限范圍之內(nèi)，那么接下來(lái)我們必須確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出端的大電容可能降低系統(tǒng)的相位余量，從而引起振鈴現(xiàn)象。為了保證轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定工作，必須有一個(gè)最小值的電阻與電容串聯(lián)在一起使用。引線(xiàn)或?qū)Ь€(xiàn)電阻、FET和電容的等效串聯(lián)電阻都是這個(gè)電阻的有效組成部分。找到這個(gè)電阻最小值的最佳方法是使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，并通過(guò)運(yùn)行系統(tǒng)分析功能來(lái)判斷相位和增益的余量。如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)分析儀，也可以在系統(tǒng)中連接階躍負(fù)載來(lái)分析轉(zhuǎn)換器的電壓和電流波形，確保沒(méi)有代表著不良穩(wěn)定性的過(guò)多振鈴。

一旦電壓環(huán)路趨于穩(wěn)定，就可以檢查圖3中的電流控制環(huán)路，分析它對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。這個(gè)電流控制環(huán)路位于DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路內(nèi)，其帶寬應(yīng)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)環(huán)路的交越頻率，因此兩個(gè)環(huán)路不會(huì)發(fā)生交互。在電力補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)集成在轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器制造商可以提供足夠的信息為電流控制環(huán)路設(shè)置一個(gè)合適的交越頻率。一些轉(zhuǎn)換器制造商允許設(shè)計(jì)師通過(guò)調(diào)整電力控制環(huán)路來(lái)優(yōu)化特定應(yīng)用的性能。

圖4顯示了一個(gè)具有外部控制環(huán)路的轉(zhuǎn)換器。這個(gè)控制環(huán)路可以經(jīng)過(guò)優(yōu)化提供峰值系統(tǒng)性能。在電源系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)正確系統(tǒng)工作至關(guān)重要的應(yīng)用中，這種外部控制環(huán)路是很重要的。周期性脈沖負(fù)載應(yīng)用就是這種情況，其中的轉(zhuǎn)換器必須在下一個(gè)電源脈沖之前給電容再次充電。應(yīng)該用網(wǎng)絡(luò)分析儀或階躍負(fù)載測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不穩(wěn)定的系統(tǒng)可能產(chǎn)生超出電源系統(tǒng)元件額定值的電壓偏移，最終導(dǎo)致電源系統(tǒng)故障。