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前馈电容的作用-DCDC

2023-10-27

DCDC电路中的前馈电容

如下图为典型的DCDC电路：芯片是台湾省立琦科技的。
DCDC电路
上图为DCDC典型应用电路，CIN为输入滤波电容，CBOOT是上管驱动“自举”电容，L是储能电感，R1和R2是反馈电阻，CFF是前馈电容，COUT是输出滤波电容，RT是内部运放补偿器件。

有前馈电容和没有前馈电容
没有前馈电容

如果没有前馈电容，内部补偿DC-DC转换器的反馈网络由两个反馈电阻组成，用于设置转换器的输出电压，如图1所示。
在这里插入图片描述
输出电压公式为：Vout=Vfb*（1+R1/R2）

图2显示了相应的增益和相位图。
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有前馈电容

图3显示了在反馈网络中添加了前馈电容C1（Cff）。
在这里插入图片描述
输出电压公式为：Vout=Vfb*（1+R1/R2）。

但是因为有前馈电容，增益和相位已经受到影响，图4显示了相应的增益和相位图。
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因为加入了前馈电容，所以与反馈电阻形成新的零点和极点，虽然Cff在其零点频率之后引入了增益提升，但是环路相位变化（提升）在零点频率和极点频率之间达到最大值; 请参见以下等式1和等式2的计算。
（1）RI和CFF形成了一个零点
在这里插入图片描述

（2）RI、R2和CFF形成了一个极点
在这里插入图片描述
零点和极点的位置如Figure 4所示。（在上面）

前馈电容的作用

增加了前馈电容设计, 变换器可以更有效地响应输出电压上的高频干扰（交流阻抗小）。
图2和图4中的 bode 图显示, 每个反馈网络在较低频率下的响应是相同的。在中到高频率下, 随着通过 C1（CFF） 的阻抗路径的减小, 输出电压到反馈端的扰动（变化）衰减较小, 并有效地提供增益和相位的提升。

在DCDC工作电源中, 增加的增益和相位与会使得转换器对负载瞬态响应速度更快, 因为在反馈节点检测到的电压偏差在较高频率下衰减较少。转换器的反应是调整占空比, 以更快地纠正输出电压偏差。

为了优化瞬态响应, 选择合适的Cff 值, 这样环路反馈的增益和相位提升将增加转换器的带宽, 同时仍保持可接受的相位裕度。

通常, Cff 的较大值可提供更大的带宽改进。但是, 如果 Cff 过大, 前馈电容会导致环路增益交叉频率过高, 并且 Cff 相位提升贡献不足, 导致不可接受的相位裕度或不稳定性。

前馈电容的实际效果

（1）无前馈电容
如下图所示，无前馈电容设计时，当负载（绿色）由小增大时，输出电压（黄色）曲线出现震荡，且很久才趋于平稳。
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（2）有前馈电容时
在同样的负载变化情况下，当有前馈电容设计时，输出电压很快输出平稳，且不会震荡多次。
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前馈电容的选择

在数据手册中我们一般会看到如下描述：
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上图中的VOUT就是DCDC的输出电压；R1和R2为反馈电阻；L为电感；COUT为输出滤波电容。

CFF就是前馈电容，22~68 pF就是建议取值大小，我们需要根据实际的负载情况来选取合适的前馈电容值。

一般的方法：

设定一个前馈电容值，测量DCDC输出端的纹波电压大小；减小或者增大前馈电容值，再次测量纹波大小，直到纹波电压小于自身产品要求的纹波电压时，当前前馈电容我们认为是合适的。

参考：TI-Optimizing Transient Response of Internally Compensated dc-dc Converters With Feedforward Capacitor

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