小型DC/DC开关电源容性负载的研究

0 引言

在DC／DC开关电源的应用中，输出负载端外接电容能起到滤波、抑制干扰的作用，在某些大容性负载动态跳变的设备中，要求电源输出端有快速响应，这就要求开关电源有较强的带容性负载的能力，并且有好的稳定性能。在开关电源的设计过程中，要充分理解并实现客户负载使用的特殊要求，必须分析开关电源容性负载能力的两种不同状态要求。

1 容性负载的要求

开关电源的基本特性中，一般并没有对容性负载能力做出严格的规范。一般电源都可带相当容性的负载，但考虑到电源的过流保护能力，尤其是输出短路保护，容性负载能力不可能太大，否则保护能力变差。对于多路输出的模块所带容性负载，其分配原则是电容的存储总能量不能超过0．25J，包括主路的电容存储能量与辅助电路的存储能量的总和(1／2∑CU2)。依此计算，在设计中最大容性负载的选取如见表l(电路和输出功率不同的模块的最大容性负载会各不相同，实际选用和使用时需要参照相关给定的技术参数手册)在实际设计和应用中，开关电源输出容性负载能力由以下两种要求来调试和测试：


1)电源稳定工作，仅负载由空载到满载跳变，输出电压稳定

当模块正常工作时，DC／DC开关电源可以等效为电压源，其输出等效电路图和简化后的等效电路图分别如图1和图2所示。其中，U是输出电压，RS是等效内阻，RL是输出负载电阻，C是输出电容，

根据图2有

可认为开关S闭合前电容电压UC为零，由式(1)可得


由上述计算，可以看出电容电压VC是按指数规律不断上升，要使输出电压更快更稳定的建立，电源输出内阻要小，一般通过高增益、快速响应的输出稳压反馈环路，可以实现性能的改善和提高。


但由于存在输出电感的储能，电压反馈和前端峰值电流控制的作用，电容电压并不完全是由零开始上升的指数波形，见图3。


输出电压的稳定过程中，一方面由输出滤波电感的储能来逐步补充，另一方面由反馈环控制电路原边快速输出更大功率。输出电感的取值一般由电流纹波系数λ和电源的空载特性来确定，为了避免容性跳变输出电压过大的下冲，使控制电路达到极限，电感的取值要大于λ的理论值计算所得数值，但同时也要考虑输出失载时的电压上冲幅度，所以输出电感也不能太大，大的电感一般不易制作、成本较高，所以电感的实际取值可以用实验的方法得到。图4给出了输出电感Lout不同取值时，容性负载突变时输出电感电流的跳变波形和最大的容性负载能力。

由实验得出输出电感大的模块带的容性负载大，电感储能有助于输出电压的稳定，限流保护电路工作时间短，但响应时间会相应长一些。

2)模块带输出电容启动，输出电压稳定

当模块带大电容启动时，需对电容迅速充电，以维持输出电压稳定，启动瞬间会产生一个大的电流。启动过程中大电流持续时间太长，模块控制芯片的保护功能就会达到极限，会出现启动不良现象即输出电压不能正常建立；另外，容性负载的大小直接影响输出电压的上升时间，在有严格输出电压上升时间要求的环境中就会出现应用故障。一般自馈电源的输出电压和供电电压是正比关系，在输出达到正常电压之前，芯片VCC无法满足供电要求。因此启动电路的供电方式和VCC电容的储能也是决定容性负载能力的重要因素。

2 提高开关电源容性负载能力的方法

如果辅助电源是独立电源，可以用软启动的方法使输出电压缓慢建立。对自馈供电来说，软启动时间长就难以启动，这时要增加VCC电容容量。VCC容量大，对单独依靠芯片内部电流环起短路保护的模块会有影响，因此必须在容性负载和过流(及短路保护)之间找一下平衡点。

适当使限流电阻取值减小，相当于提高电源的输出功率，用于增加启动过程中提供给输出端负载能量。调节反馈环路参数，使运放光耦等集成元件退饱和速度加快，可以解决容性负载跳变时OVERSHOOT严重的问题，即提高了电源的稳定性能。

3 容性负载设计的典型案例

在Forward DC／DC变换器设计时，设计人员根据容性负载能力的两项基本要求，通过调整限流电阻、启动电容的大小等相关参数，参照理论计算值，进行调试和测试，金升阳系列型号(VRB_LD_15W)DC／DC模块的容性负载能力大大增强，满足客户在各种特殊环境中的广泛应用。

4 容性负载能力的应用和总结

容性负载的需求大小与应用环境密切相关，容性负载能力是基于短路性能、过载保护能力之间的平衡选择。在具有特殊规格要求的模块设计中，一定要对上述参数进行优化调试，做到最优设计，满足特定的应用要求。

编辑：博子