Buck电路动态响应分析

        低压大电流是DC/DC电源应用的趋势，然而动态响应是电源设计一个关键性指标。本文将分析Buck电路动态响应影响因素。欢迎大家检查和指教。

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一、等效模型

   1.1从轻载到重载

   当ΔI>0时，电感电流不能突变，电容放电。

   放电电流流过ESR，并在ESR上产生压降。U_ESR的大小由ΔI和ESR共同决定的。

   放电电流斜率在ESL上产生压降。U_ESL的大小由ΔI/Δt和ESL共同决定。

   1.2从重载到轻载

   当ΔI<0时，电感电流不能突变，电容充电。

   充电电流流过ESR，并在ESR上产生压降。U_ESR的大小由ΔI和ESR共同决定的。

   充电电流斜率在ESL上产生压降。U_ESL的大小由ΔI/Δt和ESL共同决定。

二、仿真问题

   2.1为什么输出电压过冲和跌落的峰值是不一样的？

      2.1.1仿真条件

仿真参数	参数值
L	220nH
ESR	0
ESL	0
C	2000uF
ΔI	100A
Δt	1uS
fs	500kHz

      2.1.2仿真结果

         以上四张仿真图形分别对应以下四种不同直流电阻R_dc下的过充和跌落电压

       （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	过冲电压/V	跌落电压/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仿真小结

          以上仿真结果在不同输出电感的R_dc下，过冲电压和跌落电压不一样。可能原因之一是：输出电流跳变前后，电感电流有效值是不一样的。那么，在电感电阻R_dc上产生的压降也是不一样的。

   2.2为什么输出电压过冲和跌落时会出现一个很大的尖峰？

      2.2.1仿真条件

仿真参数	参数值
L	220nH
Rdc	0
ESL	0
C	2000uF
ΔI	100A
Δt	1uS
fs	500kHz

      2.2.2仿真结果

         以上四张仿真图形分别对应以下四种不同电容ESR下的过充和跌落电压

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

ESR	Uo最大值/V	Uo最小值/V	过冲电压/V	跌落电压/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仿真小结

    通过从上面图2仿真波形可以看出，当输出滤波电容存在较大的ESR时，负载电流突然上升，导致输出电压存在一个下降尖峰。ESR越大，尖峰越明显。

   2.3为什么不同ESL对输出电压过冲或跌落影响不大？

      2.3.1仿真条件

仿真参数	参数值
L	220nH
Rdc	0
ESR	0
C	2000uF
ΔI	100A
Δt	1uS
fs	500kHz

      2.3.2仿真结果

 

         以上四张仿真图形分别对应以下四种不同ESL下的过充和跌落电压

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

ESL	Uo最大值/V	Uo最小值/V	过冲电压/V	跌落电压/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仿真小结

    通过从上面仿真波形可以看出，当输出滤波电容存在ESL时，负载电流突然上升，输出电压波形变化不大。说明此时的ESL较小，也说明此时负载电流变化率不大。

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总结：

       在Buck低压大电流电源的动态响应问题上，输出滤波电容的等效电阻ESR对过充电压和跌落电压影响较大。因为，负载变化瞬间，电容快速充放电。ESR上产生的压降不可避免。目前工艺，固态电容具有较低的ESR，可有效减小尖峰电压。

       忽略电容ESR造成的影响，输出电压过冲和跌落的幅值，主要受到电容容量，电感大小，闭环程序的影响。

       多相并联电源在发生负载突变的情况时，多相电源相位相同比多相移相有更小的跌落电压。