使用阻尼輸入磁珠共振以防止電源振蕩

抑制輸入濾波器諧振的傳統(tǒng)方法是添加另一個(gè)電容，其電容至少是原始輸入電容的三倍，并與一個(gè)串聯(lián)電阻進(jìn)行阻尼，增加的電容至少是輸入電容的四倍。最佳阻尼發(fā)生在電阻值非常接近電感除以原始輸入電容的平方根時(shí)(見下面的等式 2)。然而，在許多情況下，客戶不想投入那么多電容，如果他們確實(shí)添加了成本較低的電解電容器，電阻值可能會(huì)有很大差異。這些電容器中的大多數(shù)都指定了最大串聯(lián)電阻，但典型部件只有 1/4th到該值的 1/3 rd 。

在 TI 的專家他提出了一個(gè)目標(biāo)，即確保最大源阻抗為最壞情況負(fù)負(fù)載電阻的 ?。Robert 展示的設(shè)計(jì)示例是一個(gè)阻尼電容器，其僅為所需輸入的1/10 。我收到了來(lái)自客戶的振蕩投訴，其中源阻抗約為負(fù)負(fù)載阻抗的 1/3。這可能是由于與通常具有大約 45 度相位裕度的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的主控制回路的相互作用所致。我建議輸入濾波器的目標(biāo)最大阻抗為最壞情況負(fù)電阻的1/10 。這將確保最壞情況下的主回路相位裕度影響小于 10 度。

DC/DC 的最壞情況負(fù)電阻處于最大負(fù)載和最小 Vin。

等式 1

對(duì)于我的設(shè)計(jì)中具有 44 uF 有效陶瓷旁路電容和 0.2 uH 磁珠的設(shè)計(jì)示例，我們假設(shè)最小 Vin 為 10V，最大負(fù)載為 100 W(30A 時(shí)為 3.3V)。這將計(jì)算出 1.0 歐姆的負(fù)電阻，這讓我知道將輸入濾波器的最大阻抗設(shè)定為 0.1 歐姆。

如上所述，最好的阻尼電阻是：

等式 2

這個(gè)等式最好的一點(diǎn)是，當(dāng)電感和電容分別以 uH 和 uF 表示時(shí)它是有效的。在我們的例子中，0.2/44 或 0.0674 歐姆或 68mOhms 的平方根作為最接近的標(biāo)準(zhǔn)值。

我創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的 PSPICE 仿真來(lái)快速計(jì)算輸入濾波器的最大阻抗(帶阻尼和不帶阻尼)，并顯示與 DC/DC 轉(zhuǎn)換器負(fù)電阻的相互作用。要獲得沒(méi)有阻尼器的阻抗，請(qǐng)將阻尼上限值設(shè)置在 pF 范圍內(nèi)。要在沒(méi)有負(fù)負(fù)載的情況下獲得阻抗，請(qǐng)將負(fù)電阻值設(shè)置為 1000。所示值適用于我們使用傳統(tǒng) 3x 阻尼電容器的設(shè)計(jì)示例。我選擇的磁珠電阻為 9 mOhms，輸入電容的 3 倍計(jì)算得出為 132 uF。為了獲得阻抗，我將一個(gè) 1 安培的源應(yīng)用于濾波器，并在一個(gè)范圍內(nèi)掃描頻率，包括之前在 54 kHz 處計(jì)算的諧振頻率。濾波器上的合成電壓然后是歐姆阻抗。

圖 1：輸入濾波器的 PSPICE 電路，包括阻尼器和負(fù)負(fù)載電阻：

圖 2：移除阻尼器后的阻抗圖：負(fù)載系統(tǒng)和無(wú)阻尼器的頻率響應(yīng)

該圖顯示了 54 kHz 諧振頻率附近的 1 ohm 峰值阻抗。這是一個(gè)阻尼差但仍然穩(wěn)定的系統(tǒng)。如上所述，我仍然收到有關(guān)類似系統(tǒng)振蕩的投訴

在僅由于負(fù)電阻而導(dǎo)致真正不穩(wěn)定的系統(tǒng)中，由于右手極點(diǎn)，相位將在諧振之上反轉(zhuǎn)(圖 3)。我將負(fù)載增加到 200 W，這在 10V 輸入時(shí)將負(fù)電阻降低到 0.5 歐姆。

圖 3：過(guò)載系統(tǒng)和無(wú)阻尼器的頻率響應(yīng)顯示不穩(wěn)定

圖 4：添加阻尼器的過(guò)載系統(tǒng)的頻率響應(yīng)

使用阻尼器，當(dāng)負(fù)載加倍時(shí)，峰值阻抗僅增加 0.6 dB(-22.6 dB 與 -23.2 dB)。請(qǐng)注意，這里的 -20 dB 是 0.1 歐姆。

客戶不想投入完整的 3 倍電容;他們只添加了 77 uF 的有效電容，而改用了 100 mOhms。仿真顯示滿載時(shí)的最大阻抗為 -20dB 或 0.10 ohms。

使用鋁電解電容器作為阻尼器時(shí)，仍需要增加串聯(lián)電阻。仿真需要在電容器的 ESR 處于其最大額定電阻時(shí)運(yùn)行，然后其 ESR 處于其最小電阻(通常為其最大值的 1/5 至 1/4)。此外，需要驗(yàn)證通過(guò)鋁電解電容器的滿負(fù)載紋波電流不會(huì)超過(guò)其額定值。

帶有輸入磁珠的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器需要輸入阻尼，以確保輸入諧振不會(huì)破壞主控制回路的穩(wěn)定性。一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬工具可以顯示共振被充分抑制。