用输入电容防止DC-DC变换器振荡
在开关调节器的输入端，这些大的电容有助于电力的稳定性。
开关稳压器电路(降压、升压、降压-升压、反激等)最基本的形式是相当简单的。它们使用电感元件，隔离(在反激变换器的情况下)，输出电容器的功率稳定性，和整流元件，如二极管。如果你看看典型的开关稳压器波形，这意味着一切都应该表现出所需的稳定的直流输出行为，低开关噪声和工作在连续导通模式。
这幅图有什么问题，关于切换稳压器的基本教程在哪里不完整?答案就在这些电路的瞬态行为中。暂态响应可以在电路的三个方面解决:
- 在输出端，采用电感和电容的选择来降低开关噪声
- 在开关节点，MOSFET引脚电感和栅极电容导致振铃
- 在输入端，开关级从输入电源提取快速脉冲电流
在本文中，我们将研究上述第三点，即由于变换器的开关动作而在输入电网中产生噪声。事实证明，在DC-DC转换器模块中看到的行为将非常类似于在高速PCB的PDN中看到的，其中在输入电源轨上可能发生振荡。这暗示了确保电源稳定性的解决方案:更大的电容!
为什么要在电源调节器上放置输入电容?
正如在介绍中所述，由于需要确保电源稳定性，因此需要在DC-DC转换器的输入端口上设置电容。电容器储存有一些电位能的电荷，当电容器端子和负载连接时，这些能量可以传递给负载。为稳压电路提供输入电压的电源必须能够快速响应不断变化的功率需求，因为转换器为输入电源总线运行以保持稳定。
电源、电源转换器模块和电池可能没有足够低的阻抗和时间常数来响应开关阶段的电流需求。即使在电源输出端有一个终止电容，输出连接和引线也会增加电源输出阻抗的电阻。然而，有一个简单的解决方案:增加电容!
当电源稳压器的输入电源响应缓慢(可能不稳定)时，在PCB上放置输入帽可以提供更快的响应。实际上，开关稳压器从输入电容获取功率，而输入电源模块只是对输入电容进行充电。
向输入电容器和开关级输送电力。
增加输入电容的影响
当我们观察开关过程中的输入母线电压时，我们可以看到添加足够的输入电容的重要性。考虑到降压变换器设计所示。在这个稳压器中，我们假设输入12v电源在输出端有一些电容(10 uF)，但是连接器、引线、PCB上的端子和制造中的缺陷导致输出端上额外的500 mOhms电阻。
用电阻和电容模拟输出阻抗的降压变换器设计示例。
如果我们看一下这个电路的SPICE模拟结果，我们会看到下面的图表。从电感电流(绿色)、输入电压(蓝色)和输出电压(红色)来看，瞬态响应非常大。在这些图中可以看到500mv的大超调和输入功率变化。
SPICE结果为上述降压变换器的设计实例。
现在让我们看看如果我们在高侧MOSFET和GND的输入端增加一些电容(22 uF)会发生什么。这不是一个巨大的输入电容，但它确实为电源稳定性提供了很多好处，我们将在下面看到。在PCB上，该电容应放置在非常靠近MOSFET端子的位置。
带有输入电容的改进型开关调节器。
下面的暂态分析结果很好地表明，输入端的暂态响应是稳定的。这是由输入电容C3的滤波作用提供的。在这个电路中仍然有一些导通时间，但导通时间仍然相当快，为0.5-1 ms。
改进后的开关稳压器的暂态分析结果．
对电感中的开关电流和输出电压有一些影响，但我们可以接受电感瞬态响应的轻微增加，以换取极高的功率稳定性。为了增加电路的稳定性，您可以在电路中做出其他设计决策:
- 在低侧MOSFET端子上应用缓冲器，以抑制PWM波形和开关节点电压上的任何振铃
- 在输出电容C1上加一个非常小的串联电阻，以略微抑制其瞬态响应
- 应用另一个精心设计的输出滤波器级，以防止在调节器的传递函数中产生新的极点
要确定您需要多少电容，您可以使用与去耦电容器尺寸相同的想法:确定需要在1时间常数内提供的电荷量或电流，并计算给定施加电压(上面的例子中为12 V)的电容。
电力稳定策略综述
当你开始深入挖掘，任何开关稳压电路将是一个相对复杂的电路，需要大量的分析来正确设计。输出瞬态和开关噪声的问题是相互关联的，因此需要多种策略来生产电路和PCB布局，以提供所需的稳定性和降噪。下表显示了一组用于对抗DC-DC转换器中各种噪声源的策略。
电源稳定性和噪声问题 |
解决方案 |
mosfet开关时振铃 |
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输入电压振荡和下降 |
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输出端瞬态振荡 |
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输出开关噪声 |
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随着电流要求的增加，DC-DC变换器会变得越来越复杂，而复杂性的增加会在电路的各个点产生更多的噪声和瞬态。为了确定这些电路的敏感区域，需要进行彻底的电路模拟。一旦确定了开关稳压器中容易产生噪声的部分，请确保设计PCB堆叠和布线，以确保寄生控制，从而不会将新的噪声引入设计中。
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