DC/DC 转换器输出电容和输出电压稳定性
DC/DC 转换器输出电容和输出电压稳定性
在DC/DC转换器的电路设计中，输出电容的选取对系统的稳定性和性能至关重要。本文通过实验验证了输出电容减小对纹波电压、相位裕量和负载响应特性的影响，并给出了优化补偿电路的建议。
在 DC/DC 转换器的电路设计中，可能需要根据微控制器或 FPGA 的规格来改善负载响应。在这种情况下，很多人认为改善负载响应特性的最简单方法是增加输出电容器的电容。但在实际电路板设计时，可能需要减少输出电容器的数量以增加安装面积。在这种情况下，客户可能会产生是否可以减少电容器的数量的疑问。接下来我们将对该问题进行验证。
评估环境
本次我们将使用 ADI LT8643S 评估板 (DC2658A) 进行测量，该模块是 ADI 降压型 DCDC，内置 42V 耐压同步整流 MOSFET，下图 (图1) 为评估板原理图。
评估板设置
对原始评估板的更改是为了将相位补偿电路更改为最佳值。
前：R4=8.45kΩ，C5=0.33nF ⇒ 后：R4=6.3kΩ，C5=1.36nF
评估条件：设置输入电压 12V，输出电压 5V，负载电流 3A，开关频率 2MHz
图1 评估板原理图
测量环境
使用稳定电源 KIKUSUI PAN35-20E。连接到评估板的 VIN 和 GND 部分。
使用电子负载 KIKUSUI PLZ164WS。连接到评估板的 VOUT 和 GND 部分。
示波器 Tektronix 6 系列。在输出电容器 C6 两端观察到纹波。
使用电源轨探头 TPR1000
配件 1.3m，SMA (Ma) 至 MMCX (Ma)，50Ω 电缆
配件 MMCX 连接器 (Wurth Elektoronik 66012002111503)
验证输出电容器的电容变化
当输出电容减小时
在评估板的初始状态下，相位裕量不是最优的，因此更换了补偿电路。对上图 (图1) 中的 R4 和 C5 作如下改动，相位裕量从 56° 提高到 81.5°。
前：R4=8.45kΩ，C5=0.33nF ⇒ 后：R4=6.3kΩ，C5=1.36nF
优化相位裕量后，输出电容 (C6)：123uF ⇒ 45uF ⇒ 23uF，下图 (图2) 的纹波波形是检查输出电压的结果。
图2 纹波波形确认结果
改变输出电容的结果
将输出电容从默认设置 123uF 更改为 45uF，纹波电压从 1.9mV 增加到 4mV。如果纹波电压可接受，则可以将输出电容降低到 45uF。然而当电容降低到 23uF 时，输出纹波增加到 30mV，输出电压变得不稳定 (振荡)。这一结果表明，如果输出电容很容易减小，输出电压就会变得不稳定。接下来，我们检查一下输出电容为 45uF 时，相位补偿电路是否处于最佳状态。
输出电容器补偿电路的优化
163uF 输出电容的相位裕量和负载响应
下图 (图3) 显示了输出电容为 163uF 时的相位裕量和负载响应特性的测量结果。相位裕量为 74.1°~82°，电压波动为 ±100mV (交越频率 71.8KHz)。
图3 163uF 输出电容的相位裕量和负载响应特性
45uF 输出电容的相位裕量和负载响应
下图 (图4) 显示了输出电容为 45uF 时相位裕量和负载响应特性的测量结果。相位裕量为 51.2°~65.1°，电压波动约为 ±137mV (交越频率：168.2KHz)。从图中可以看出，相位裕量减少了约 20°。这一结果表明，相位裕量可以通过改变输出电容器的电容而变化。
图4 45uF 输出电容的相位裕量和负载响应特性
相位补偿电路的优化
下图 (图5) 显示了 45uF 输出电容的相位补偿电路的优化结果。对上图 (图1) 中的 R4 和 C5 作如下改动，相位裕量从 53.9° 提高到 77.3°。
前：R4=6.3kΩ，C5=1.36nF ⇒ 后：R4=1.0kΩ C5=3.3nF
然而交越频率已从 168.2KHz 提高到 53.3KHz，这减慢了负载响应特性，并将电压波动增加到 +221mV/-264 mV。
图5 45uF 输出电容相位补偿电路的优化结果
总结
改变输出电容器的电容可能会因相位裕量的变化而导致输出电压变得不稳定，因此应避免轻易减小输出电容。更换输出电容时，建议检查相位补偿电路是否最佳。如果由于电路板安装面积的限制而通过减少输出电容数量来降低电容，则需要注意如果改变补偿电路常数以产生相位裕量，交越频率可能会降低，并且可能会影响负载响应特性。