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如何最大限度減小電源設(shè)計中輸出電容的數(shù)量和尺寸?

發(fā)布時間:2021-11-12 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電源輸出電容一般是100 nF至100 μF的陶瓷電容,它們耗費資金,占用空間,而且,在遇到交付瓶頸的時候還會難以獲得。所以,如何最大限度減小輸出電容的數(shù)量和尺寸,這個問題反復(fù)被提及。


電源輸出電容一般是100 nF至100 μF的陶瓷電容,它們耗費資金,占用空間,而且,在遇到交付瓶頸的時候還會難以獲得。所以,如何最大限度減小輸出電容的數(shù)量和尺寸,這個問題反復(fù)被提及。


輸出電容造成的影響


論及此問題,輸出電容的兩種影響至關(guān)重要:對輸出電壓紋波的影響,以及在負載瞬變后對輸出電壓的影響。


首先,我們來看一看輸出電容這個詞。這些電容一般安裝在電源的輸出端。但是,許多電力負載(電力消耗對象),例如FPGA,都需要使用一定數(shù)量的輸入電容。圖1顯示的是一種典型的包含負載和FPGA的電源設(shè)計。如果在電路板上,電壓生成電路和耗電電路之間的距離非常短,那么電源輸出電容和負載輸入電容之間的界限就會變得非常模糊。


如何最大限度減小電源設(shè)計中輸出電容的數(shù)量和尺寸?

圖1. LTC3311 開關(guān)穩(wěn)壓器,包含所連接的FPGA對應(yīng)的輸出電容和輸入電容。


通常需要利用某種物理分隔方法來加以區(qū)分,而這會導(dǎo)致產(chǎn)生大量寄生電感(Llayout)。


電源輸出端的電容形成決定了降壓型(降壓)開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓紋波。此時,經(jīng)驗法則適用:輸出紋波電壓等于電感紋波電流 X 輸出電容的電阻。


如何最大限度減小電源設(shè)計中輸出電容的數(shù)量和尺寸?


這個電阻ZCout由電容的大小和數(shù)量,以及等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)組成。如果電源輸出端只有一個電容,此公式高度適用。如果是更為復(fù)雜的情況(參見圖1),其中包含多個并聯(lián)電容,且因為布局(Llayout)的原因產(chǎn)生了串聯(lián)電感,那么計算不會如此簡單。


在這種情況下,非常適合使用LTspice?這樣的模擬工具。圖2所示為針對圖1提到的情況快速創(chuàng)建的電路圖??梢詫⒉煌担ò‥SR和ESL)設(shè)置給單個電容。也可以考慮板布局(例如Llayout)可能產(chǎn)生的影響。然后,會仿真開關(guān)穩(wěn)壓器輸出端和負載輸入端的電壓紋波。


如何最大限度減小電源設(shè)計中輸出電容的數(shù)量和尺寸?

圖2. 使用LTspice評估系統(tǒng)電源輸出端的不同電容。


輸出電容也會影響負載瞬變后的輸出電壓失調(diào)。我們也可以使用LTspice仿真這一影響。此時,特別需要注意的是,在某些限制范圍內(nèi),電源控制環(huán)路的控制速度和輸出電容的電感是相互關(guān)聯(lián)的。電源控制環(huán)路的速度如果更快,那么在負載瞬變之后,只需要更少數(shù)量的輸出電容即可保持在特定的輸出控制窗口之內(nèi)。


最后但同樣重要的一點是,vvv具有自適應(yīng)電壓定位(AVP)。AVP可以利用輸入誤差電壓預(yù)算并減少輸出電容器的數(shù)量,此外,設(shè)計人員還可以通過增加環(huán)路帶寬來實現(xiàn)減少輸出電容的數(shù)量。


AVP在低負載條件下稍微增大輸出電壓,在高負載條件下稍微降低輸出電壓。然后,如果發(fā)生負載瞬變,則更多動態(tài)輸出電壓偏差都發(fā)生在允許的輸出電壓范圍內(nèi)。


建議使用ADI公司的LTpowerCAD?來找出哪些控制環(huán)路可以優(yōu)化,以及可以減少多少個輸出電容。圖3所示為計算控制速度的屏幕截圖。其中顯示了在負載瞬變后計算得出的電壓過沖。可以通過改變輸出電容、調(diào)節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路的速度來進行優(yōu)化。


如何最大限度減小電源設(shè)計中輸出電容的數(shù)量和尺寸?

圖3. 使用LTpowerCAD優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器的控制環(huán)路,以及減少輸出電容的數(shù)量。


確定正確的參數(shù)后,即可減少電源中輸出電容的數(shù)量,如此可以節(jié)省資金和板空間,我們建議大家使用這個開發(fā)步驟。

(來源:亞德諾半導(dǎo)體)


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