静态纹波和动态负载的过冲/下冲原理及改善措施

对于DC-DC开关电源，在设计阶段需要进行一些电源常规测试，确保电源系统的稳定性和性能可以满足要求，本文主要从原理上分析静态纹波和动态响应时产生的过冲/下冲，并提供一些改善方法。

-开关电源基本原理-

首先，对DC-DC开关电源的原理进行简单的分析，以buck电路为例：

如下为buck电路的基本框图，由功率转换，采样反馈，逻辑驱动这几个主要部分组成。

产生纹波的主要是功率转换部分，将功率转换部分电路简化为如下模型：

Buck电路工作可以分为两个阶段：

1、上管(Q1)导通，下管(Q2)关闭，电流从输入端流经电感，到输出端;输入电压加在电感和输出两端，电感电压为

电流线性上升，电感储存能量;

2、上管(Q1)关闭，下管(Q2)导通，电流从下管续流，经过电感后到输出端，电感电压为

电流线性下降，电感释放能量。稳态下满足伏秒平衡，即：

-静态纹波-

通过前面的原理分析，我们可以看到，电感的电流并非纯直流，而是附加了三角波形状的纹波电流，并且纹波电流通过输出电容滤掉。

输出电容并非理想电容，存在寄生参数，可分解为等效寄生电感(ESL)，等效寄生电阻(ESR)，电容(C)的串联电路，电感纹波电流流过输出电容时，会在ESL，ESR和C上产生电压纹波。

从以上公式可以看到，输出纹波主要受到电容寄生ESL，ESR，C的值和电感纹波电流影响。

-静态纹波改善措施-

想要降低输出纹波，主要就是降低电感纹波电流和电容寄生参数，增大容值，可通过如下措施进行优化：

增大感值，可以降低电感纹波电流;

提高开关频率，可以降低电感纹波电流;

增大容值，降低电感纹波电流在电容上充放电产生的纹波;

输出电容更换为ESL/ESR更小的电容，例如MLCC。

-动态负载过冲/下冲-

在负载发生跳变时(突然增大或者减小)，电感电流无法快速跟随负载变化，会导致能量不足或者过剩，从而出现下冲/过冲，如下图所示：

负载电流突然增大，电感电流受到控制器TON和电流斜率的限制，无法实时满足负载需求，这部分额外的能量需要输出电容端提供，即输出电容放电，输出电压出现下冲;

负载电流突然减小，由于电感电流下降斜率小于负载电流下降斜率，导致电感上能量过多，从而对输出电容进行充电，输出电压出现过冲。

-动态响应改善措施-

动态负载时的过冲/下冲，主要是由于电感电流响应较慢，导致输出电容的充放电形成的，因此要改善过冲/下冲，主要减小电感能量变化或者增大电容值来解决：

减小感值，降低电感储能，并且可以增大电感电流变化斜率(这个对静态纹波是相反的，因此电感值不能太小);

提高开关频率，同时可以适当增大环路带宽，提高控制器的响应速度，但是需要保证系统稳定性，带宽过大会导致不稳定;

增大容值，是最直接的降低过冲/下冲的方法，成本会上升;

输出电容可采用大电容值固态电容和MLCC混搭的方式，降低各频段的交流阻抗;

对于部分控制器，可以采用增加DC load line的方式，有效降低过冲，例如CPU core电源，如下图所示：

-总结-

静态纹波和动态负载的过冲/下冲原理有所区别，优化方案也有差异，总结如下：

静态纹波：

增大感值

提高频率

增大容值

采用MLCC

动态负载：

减小感值

提高频率

增大容值

混合类型电容

增加DC load line

电感值对于静态纹波和动态响应的效果是相反的，因此需要折中;其他措施大部分是两个方面都有改善的。

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原文标题：技术分享 | DCDC开关电源实战经验之静态纹波及动态响应调试方法

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审核编辑：汤梓红