技术资讯 | 如何使用输入电容防止 DC-DC 转换电路振荡

如图所示，开关稳压电路的输入端通常使用大电容，有助于提高电源负载功率的稳定性。

开关稳压电路（降压、升压、降压-升压、反激等）的最基本模型非常简单，它们使用电感元件、隔离（在反激式转换器的情况下）器件和用于稳定功率输出的电容器以及二极管等整流元件。如果您查看典型的开关稳压电路波形，这意味着一切都应表现出所需的、具有低开关噪声和在连续导通模式下的

这张图片有什么问题呢？关于开关稳压电路的基本模型在哪里不完整？答案在于这些电路中的瞬态行为中。

瞬态响应可以在电路的三个方面中解决：

在输出端，使用电感器和电容器用于降低开关噪声

在开关节点，这里MOSFET的引脚电感和栅极电容会导致振铃

在输入端，从电源汲取的快速开关级的电流脉冲

在本文中，我们将研究上述第 3 点，即由于转换器中的开关动作而在输入电源网络中出现噪声。事实证明，在 DC-DC 转换器模块中看到的行为与在高速 PCB 的 PDN 中看到的行为非常相似——在输入电源波形上可能会发生的振荡。这暗示了确保功率稳定性的解决方案：更大的电容！

为什么要在电源稳压器上放置输入电容？

如简介中所述，由于需要确保功率稳定性，因此需要在 DC-DC 转换器的输入端口上使用输入电容。电容器存储具有一定电势能的电荷，并且当电容器端子和负载连接时，该能量可以传递到负载。为稳压电路提供输入电压的电源必须能够在转换器运行时快速响应不断变化的电源需求，以使输入电源总线稳定。

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电路中的电流需求。即使电源输出端存在端接电容，输出连接和引线也会增加电源输出阻抗的电阻。但是，有一个简单的解决方案：添加电容！

当电源调节器具有缓慢响应（可能未调节）的输入电源时，在 PCB 上放置输入电容可提供更快的响应。实际上，开关稳压器从输入电容器汲取电力，而输入电源模块只是简单地对输入电容进行再充电。

向输入电容器和开关电源电路供电

添加输入电容的影响

当我们查看开关期间的输入总线电压时，我们可以看到增加足够输入电容的重要性。考虑如下所示的降压转换器设计。在此稳压器中，我们假设输入的 12 V 电源在输出上有一些电容（10 uF，C2），但连接器、引线、PCB 上的端子以及制造缺陷会导致在输出端子上存在额外的 500 mOhms 电阻（R1）。

示例：降压转换器设计，其输出阻抗使用电阻器和电容器建模。

如果我们查看该电路的 PSPICE 仿真结果，我们会看到下图。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 500 mV 的大过冲和输入功率变化。

上述降压转换器设计示例的 PSPICE 结果

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，我们将在下面一一说明。（在 PCB 上，该电容器应放置在非常靠近 MOSFET 端子的位置。）

带有输入电容器的改进型开关稳压电路

下面的瞬态分析结果很好地表明输入上的瞬态响应是稳定的。这是由输入电容器 C3 的滤波作用提供的。该电路仍有一定的开启时间余量，但开启时间仍然相当快，为 0.5-1 ms。

使用修改后的开关稳压器的瞬态分析结果

添加C3后，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略微增加，以换取极高的功率稳定性。您可以在此电路中添加其他的设计决策以提高电路的稳定性：

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

对输出电容器 C1 施加一个非常小的串联电阻，以稍微抑制其瞬态响应

应用另一个经过精心设计的输出滤波器级，以防止在稳压器的传递函数中产生新的极点

要准确确定您需要多大的电容，您可以使用与去耦电容器大小时间的相同思路：确定在1个时间常数内需要提供的电荷或电流量，并计算给定施加电压（在上面的示例中为12 V）的电容。。

电源稳定性策略总结

当您开始深入挖掘时，任何开关稳压器电路都将是一个相对复杂的电路，需要大量分析才能正确设计。输出瞬态过冲和开关噪声的问题是互相关联的，因此需要多种策略来设计能够提供所需稳定性和降噪的电路和PCB布局。下表显示了一组用于处理 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	使用体积更小的MOSFET 布线时确保足够小的引脚/走线电感 在整流元件上使用缓冲器
输入电压振荡和电压下降	在输入端使用电容器 布线时，输入级在PCB上使用小环路电感 在输出端使用足够大的电容
输出瞬态振荡	在输出端使用足够大的电容器 在输出端使用受控ESR电容 添加低通RLC输出滤波器（串联RC是分流元件）
输出开关噪声	使用足够大的电感器 在输出端使用足够大的电容器 使用更高的开关频率

随着电流需求的增加，DC-DC 转换器会变得更加复杂，而增加的复杂性带来了更多在电路的各个点产生噪声和瞬态过冲的机会。这就需要进行彻底的电路仿真来识别这些电路的敏感区域（关键部分）。一旦您确定了开关稳压器的易受噪声影响的部分，请确保您设计了PCB叠层和布线，以确保控制寄生效应，从而不会在设计中引入新的噪声。

总结

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