Buck电路动态响应分析
2022-03-23 15:56 斑鸠,一生。 阅读(3757) 评论(0) 编辑 收藏 举报低压大电流是DC/DC电源应用的趋势,然而动态响应是电源设计一个关键性指标。本文将分析Buck电路动态响应影响因素。欢迎大家检查和指教。
一、等效模型
1.1从轻载到重载
当ΔI>0时,电感电流不能突变,电容放电。
放电电流流过ESR,并在ESR上产生压降。UESR的大小由ΔI和ESR共同决定的。
放电电流斜率在ESL上产生压降。UESL的大小由ΔI/Δt和ESL共同决定。
1.2从重载到轻载
当ΔI<0时,电感电流不能突变,电容充电。
充电电流流过ESR,并在ESR上产生压降。UESR的大小由ΔI和ESR共同决定的。
充电电流斜率在ESL上产生压降。UESL的大小由ΔI/Δt和ESL共同决定。
二、仿真问题
2.1为什么输出电压过冲和跌落的峰值是不一样的?
2.1.1仿真条件
仿真参数 | 参数值 |
L | 220nH |
ESR | 0 |
ESL | 0 |
C | 2000uF |
ΔI | 100A |
Δt | 1uS |
fs | 500kHz |
2.1.2仿真结果
以上四张仿真图形分别对应以下四种不同直流电阻Rdc下的过充和跌落电压
(a)Rdc=0 (b)Rdc=5mΩ (c)Rdc=10mΩ (d)Rdc=15mΩ
Rdc | Uo最大值/V | Uo最小值/V | 过冲电压/V | 跌落电压/V |
0 | 1.202 | 0.843 | 0.202 | 0.157 |
5mΩ | 1.183 | 0.839 | 0.183 | 0.161 |
10mΩ | 1.155 | 0.835 | 0.155 | 0.165 |
15mΩ | 1.150 | 0.831 | 0.150 | 0.169 |
2.1.3仿真小结
以上仿真结果在不同输出电感的Rdc下,过冲电压和跌落电压不一样。可能原因之一是:输出电流跳变前后,电感电流有效值是不一样的。那么,在电感电阻Rdc上产生的压降也是不一样的。
2.2为什么输出电压过冲和跌落时会出现一个很大的尖峰?
2.2.1仿真条件
仿真参数 | 参数值 |
L | 220nH |
Rdc | 0 |
ESL | 0 |
C | 2000uF |
ΔI | 100A |
Δt | 1uS |
fs | 500kHz |
2.2.2仿真结果
以上四张仿真图形分别对应以下四种不同电容ESR下的过充和跌落电压
(a)ESR=0.5mΩ (b)ESR=1mΩ (c)ESR=2mΩ (d)ESR=4mΩ
ESR | Uo最大值/V | Uo最小值/V | 过冲电压/V | 跌落电压/V |
0.5mΩ | 1.200 | 0.843 | 0.200 | 0.157 |
1mΩ | 1.195 | 0.819 | 0.195 | 0.181 |
2mΩ | 1.244 | 0.724 | 0.244 | 0.276 |
4mΩ | 1.405 | 0.702 | 0.405 | 0.298 |
2.2.3仿真小结
通过从上面图2仿真波形可以看出,当输出滤波电容存在较大的ESR时,负载电流突然上升,导致输出电压存在一个下降尖峰。ESR越大,尖峰越明显。
2.3为什么不同ESL对输出电压过冲或跌落影响不大?
2.3.1仿真条件
仿真参数 | 参数值 |
L | 220nH |
Rdc | 0 |
ESR | 0 |
C | 2000uF |
ΔI | 100A |
Δt | 1uS |
fs | 500kHz |
2.3.2仿真结果
以上四张仿真图形分别对应以下四种不同ESL下的过充和跌落电压
(a)ESL=10nH (b)ESL=10nH (c)ESL=40nH (d)ESL=80nH
ESL | Uo最大值/V | Uo最小值/V | 过冲电压/V | 跌落电压/V |
10nH | 1.200 | 0.843 | 0.200 | 0.157 |
20nH | 1.200 | 0.843 | 0.200 | 0.157 |
40nH | 1.200 | 0.843 | 0.200 | 0.157 |
80nH | 1.200 | 0.843 | 0.200 | 0.157 |
2.3.3仿真小结
通过从上面仿真波形可以看出,当输出滤波电容存在ESL时,负载电流突然上升,输出电压波形变化不大。说明此时的ESL较小,也说明此时负载电流变化率不大。
总结:
在Buck低压大电流电源的动态响应问题上,输出滤波电容的等效电阻ESR对过充电压和跌落电压影响较大。因为,负载变化瞬间,电容快速充放电。ESR上产生的压降不可避免。目前工艺,固态电容具有较低的ESR,可有效减小尖峰电压。
忽略电容ESR造成的影响,输出电压过冲和跌落的幅值,主要受到电容容量,电感大小,闭环程序的影响。
多相并联电源在发生负载突变的情况时,多相电源相位相同比多相移相有更小的跌落电压。