Buck電路動態響應分析

        低壓大電流是DC/DC電源應用的趨勢，然而動態響應是電源設計一個關鍵性指標。本文將分析Buck電路動態響應影響因素。歡迎大家檢查和指教。

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一、等效模型

   1.1從輕載到重載

 

 

 

   當ΔI>0時，電感電流不能突變，電容放電。

   放電電流流過ESR，並在ESR上產生壓降。U_ESR的大小由ΔI和ESR共同決定的。

   放電電流斜率在ESL上產生壓降。U_ESL的大小由ΔI/Δt和ESL共同決定。

 

   1.2從重載到輕載

   當ΔI<0時，電感電流不能突變，電容充電。

   充電電流流過ESR，並在ESR上產生壓降。U_ESR的大小由ΔI和ESR共同決定的。

   充電電流斜率在ESL上產生壓降。U_ESL的大小由ΔI/Δt和ESL共同決定。

 

二、仿真問題

   2.1為什么輸出電壓過沖和跌落的峰值是不一樣的？

      2.1.1仿真條件

仿真參數	參數值
L	220nH
ESR	0
ESL	0
C	2000uF
ΔI	100A
Δt	1uS
fs	500kHz

      2.1.2仿真結果

         以上四張仿真圖形分別對應以下四種不同直流電阻R_dc下的過充和跌落電壓

       （a）R_dc=0   （b）R_dc=5mΩ   （c）R_dc=10mΩ   （d）R_dc=15mΩ

Rdc	Uo最大值/V	Uo最小值/V	過沖電壓/V	跌落電壓/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仿真小結

          以上仿真結果在不同輸出電感的R_dc下，過沖電壓和跌落電壓不一樣。可能原因之一是：輸出電流跳變前后，電感電流有效值是不一樣的。那么，在電感電阻R_dc上產生的壓降也是不一樣的。

   2.2為什么輸出電壓過沖和跌落時會出現一個很大的尖峰？

      2.2.1仿真條件

仿真參數	參數值
L	220nH
Rdc	0
ESL	0
C	2000uF
ΔI	100A
Δt	1uS
fs	500kHz

      2.2.2仿真結果

         以上四張仿真圖形分別對應以下四種不同電容ESR下的過充和跌落電壓

       （a）ESR=0.5mΩ   （b）ESR=1mΩ   （c）ESR=2mΩ   （d）ESR=4mΩ

ESR	Uo最大值/V	Uo最小值/V	過沖電壓/V	跌落電壓/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仿真小結

    通過從上面圖2仿真波形可以看出，當輸出濾波電容存在較大的ESR時，負載電流突然上升，導致輸出電壓存在一個下降尖峰。ESR越大，尖峰越明顯。

   2.3為什么不同ESL對輸出電壓過沖或跌落影響不大？

      2.3.1仿真條件

仿真參數	參數值
L	220nH
Rdc	0
ESR	0
C	2000uF
ΔI	100A
Δt	1uS
fs	500kHz

      2.3.2仿真結果

 

         以上四張仿真圖形分別對應以下四種不同ESL下的過充和跌落電壓

       （a）ESL=10nH   （b）ESL=10nH   （c）ESL=40nH   （d）ESL=80nH

ESL	Uo最大值/V	Uo最小值/V	過沖電壓/V	跌落電壓/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仿真小結

    通過從上面仿真波形可以看出，當輸出濾波電容存在ESL時，負載電流突然上升，輸出電壓波形變化不大。說明此時的ESL較小，也說明此時負載電流變化率不大。

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總結：

       在Buck低壓大電流電源的動態響應問題上，輸出濾波電容的等效電阻ESR對過充電壓和跌落電壓影響較大。因為，負載變化瞬間，電容快速充放電。ESR上產生的壓降不可避免。目前工藝，固態電容具有較低的ESR，可有效減小尖峰電壓。

       忽略電容ESR造成的影響，輸出電壓過沖和跌落的幅值，主要受到電容容量，電感大小，閉環程序的影響。

       多相並聯電源在發生負載突變的情況時，多相電源相位相同比多相移相有更小的跌落電壓。