DC-DC电路中前馈电容的应用与优化

DC-DC电路中前馈电容的应用与优化

电源是现代电子产品中不可或缺的模块，而DC-DC转换器作为电源系统的核心组件，其性能直接影响到整个系统的稳定性和效率。在实际应用中，为了简化设计并节省调试时间，大多数通用电源芯片都会提供反馈引脚，允许用户通过反馈电阻来调节输出电压。然而，这种通用化设计也限制了转换器的带宽和瞬态响应能力。本文将介绍如何通过使用前馈电容来改善这一状况，帮助设计人员选择合适的前馈电容，以达到优化产品性能的目的。

前馈电容的影响

常见的可调电源电路如下图所示：

其中，A(s)为电源系统的开环增益，我们假定A(s)已经包含了输出电容、负载等其他因素的影响。

在不使用前馈电容CF时，电路的输出电压为：

$$V_{OUT} = V_{IN} \cdot \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$

环路增益为：

$$G(s) = A(s) \cdot \beta$$

其中，β为反馈系数。通过调节分压电阻虽然可以改变输出电压，但同时也使得G(s)的带宽变窄。

合理地使用前馈电容可以提升电源的带宽及响应速度，此时环路增益变为：

$$G(s) = A(s) \cdot \left( \beta + \frac{1}{1 + sC_FR_2} \right)$$

由此可得，CF并不改变DC输出，而是为系统引入了一对低频零点fz和高频极点fp。零点会使相位裕量增加，极点则恶化相位裕量，使零点与极点尽量远离才能获得更多的相位裕量。但CF引入的零极点对的距离在对数坐标里是固定的，因为：

$$f_p = \frac{1}{2\pi C_FR_2}$$
$$f_z = \frac{1}{2\pi C_F(R_1+R_2)}$$

据此可确定，前馈电容在R1/R2越大时作用越明显，在R1=0时不产生作用。而在R1/R2确定的场合，需要合理地选择前馈电容CF。

前馈电容的选择

为了兼顾系统的带宽和相位裕量，可以通过以下步骤得到最优化的前馈电容容值：

1. 在没有前馈电容的情况下测得系统的穿越频率fc；
2. 选择的前馈电容引入的零点和极点，使其满足：

$$f_z = \frac{f_c}{10}$$
$$f_p = 10f_c$$

化简为：

$$C_F = \frac{1}{2\pi R_2 f_p} = \frac{1}{20\pi R_2 f_c}$$

案例分析

在某种运用下将SY8513配置成5V输出，使用电阻R1=105kΩ，R2=20kΩ，此时β=0.16。

使用环路分析仪，在没有前馈电容的情况下测得系统的环路增益曲线：

可见此时系统的穿越频率为fc=34.8kHz，计算得到最优的前馈电容CF=109pF，我们实际使用较为接近的110pF。

此外，在没有前馈电容时，该配置下的相位裕量仅为27º。

在没有前馈电容的配置状态，进行负载瞬变响应测试，当负载从1A跳变至3A时，输出电压最大存在340mV偏移。

而使用110pF前馈电容后的环路增益曲线如下所示：

可以看到穿越频率变为了72.4 kHz，带宽扩大了一倍。同时，相位裕量也增加到了50º。

进行相同的负载瞬变响应测试，在增加前馈电容后，输出电压的最大偏移量从340mV降低为200mV，发生了明显改善。

综上所述，合理的使用前馈电容可以明显地改善电源的动态特性。前馈电容的最优值是基于系统带宽和相位裕量的最优折中。在必要的场合，通过综合分析实际应用时转换器的带宽和裕量的要求，对最优值的适当增大或减小以进一步优化带宽或裕量。通常情况下，我们建议尽量接近最优值。

需要注意，并不是每一个 DC-DC 电路都需要前馈电容，实际设计时，按照 SPEC 参考设计来即可。