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最大限度精减电源设计中输出电容的数量和尺寸
 

【作者: Frederik Dostal】2022年04月21日 星期四

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电源输出电容一般是100 nF至100 μF的陶瓷电容,它们耗费资金,占用空间,而且,在遇到交货瓶颈的时候还会难以供货。所以,如何能最大限度精减输出电容的数量和尺寸,这个问题现今不断反覆被提及。


输出电容造成的影响

论及此问题,输出电容的两种影响非常重要:对输出电压涟波的影响,以及在负载瞬变後对输出电压的影响。



首先,我们来看一看输出电容这个名词。这些电容一般安装在电源的输出端。但是,许多电力负载(电力消耗物件),例如FPGA,都需要使用一定数量的输入电容。图1显示的是一种典型的包含负载和FPGA的电源设计。如果在电路板上,电压产生电路和耗电电路之间的距离非常短,那麽电源输出电容和负载输入电容之间的界限就会变得非常模糊。



图1 : LTC3311切换稳压器,包含所连接的FPGA对应的输出电容和输入电容。
图1 : LTC3311切换稳压器,包含所连接的FPGA对应的输出电容和输入电容。

通常需要利用某种物理分隔方法来加以区分,而这会导致产生大量寄生电感(Llayout)。


电源输出端的电容形成决定了降压型(降压)开关稳压器的电压涟波。此时,经验法则适用:输出涟波电压等於电感涟波电流 X 输出电容的电阻。


电阻ZCout由电容的大小和数量,以及等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)组成。如果电源输出端只有一个电容。如果是更为复杂的情况(图1),其中包含多个并联电容,且因为布局(Llayout)的原因产生了串联电感,那麽计算就不会如此简单。


在这种情况下,非常适合使用LTspice这样的模拟工具。图2所示为针对图1提到的情况快速创建的电路图。可以将不同值(包括ESR和ESL)设定给单个电容。也可以考虑板布局(例如Llayout)可能产生的影响。然後,会模拟切换稳压器输出端和负载输入端的电压涟波。



图2 : 使用LTspice评估系统电源输出端的不同电容。
图2 : 使用LTspice评估系统电源输出端的不同电容。

输出电容也会影响负载瞬变後的输出电压失调。我们也可以使用LTspice模拟这一个影响。此时,特别需要注意的是,在某些限制范围内,电源控制??路的控制速度和输出电容的电感是相互关联的。电源控制??路的速度如果更快,那麽在负载瞬变之後,只需要更少数量的输出电容即可保持在特定的输出控制视窗之内。


最後、但同样重要的一点是,LTC3311-1具有自我调整电压定位(AVP)。AVP可以利用输入误差电压预算并减少输出电容器的数量,此外,设计人员还可以透过增加??路频宽来实现减少输出电容的数量。


AVP在低负载条件下稍微增大输出电压,在高负载条件下稍微降低输出电压。然後,如果发生负载瞬变,则更多动态输出电压偏差都发生在允许的输出电压范围内。


建议使用ADI的LTpowerCADR来找出哪些控制??路可以优化,以及可以减少多少个输出电容。图3所示为计算控制速度的萤幕截图。其中显示了在负载瞬变後计算得出的电压过冲。可以透过改变输出电容、调节切换稳压器控制??路的速度来进行优化。


图3 : 使用LTpowerCAD优化切换稳压器的控制环路,以及减少输出电容的数量。
图3 : 使用LTpowerCAD优化切换稳压器的控制环路,以及减少输出电容的数量。

确定正确的叁数後,即可减少电源中输出电容的数量,如此可以节省资金和板的空间,建议大家使用这个开发步骤。


(本文作者Frederik Dostal为ADI现场应用工程师)


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