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

作者：Frederik Dostal，ADI 現(xiàn)場應(yīng)用工程師

電源輸出電容一般是100 nF至100 μF的陶瓷電容，它們耗費(fèi)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載輸入電容之間的界限就會變得非常模糊。

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(L_layout)。

圖1. ADI公司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。

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(yàn)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。

這個電阻Z_Cout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?yàn)椴季?L_layout)的原因產(chǎn)生了串聯(lián)電感，那么計算不會如此簡單。

圖2.使用LTspice評估系統(tǒng)電源輸出端的不同電容。

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。

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L_layout）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(fù)載輸入端的電壓紋波。

輸出電容也會影響負(fù)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(fù)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(diǎn)是，LTC3311-1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(shí)現(xiàn)減少輸出電容的數(shù)量。

AVP在低負(fù)載條件下稍微增大輸出電壓，在高負(fù)載條件下稍微降低輸出電壓。然后，如果發(fā)生負(fù)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(fù)載瞬變后計算得出的電壓過沖?？梢酝ㄟ^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(jìn)行優(yōu)化。

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。

作者簡介

Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。聯(lián)系方式：frederik.dostal@analog.com。

關(guān)鍵詞： 輸出電壓 輸入電容 最大限度 串聯(lián)電感 電源控制