使用阻尼输入磁珠共振以防止电源振荡

抑制输入滤波器谐振的传统方法是添加另一个电容，其电容至少是原始输入电容的三倍，并与一个串联电阻进行阻尼，增加的电容至少是输入电容的四倍。最佳阻尼发生在电阻值非常接近电感除以原始输入电容的平方根时(见下面的等式 2)。然而，在许多情况下，客户不想投入那么多电容，如果他们确实添加了成本较低的电解电容器，电阻值可能会有很大差异。这些电容器中的大多数都指定了最大串联电阻，但典型部件只有 1/4th到该值的 1/3 rd 。

在 TI 的专家他提出了一个目标，即确保最大源阻抗为最坏情况负负载电阻的 ½。Robert 展示的设计示例是一个阻尼电容器，其仅为所需输入的1/10 。我收到了来自客户的振荡投诉，其中源阻抗约为负负载阻抗的 1/3。这可能是由于与通常具有大约 45 度相位裕度的 DC/DC 转换器的主控制回路的相互作用所致。我建议输入滤波器的目标最大阻抗为最坏情况负电阻的1/10 。这将确保最坏情况下的主回路相位裕度影响小于 10 度。

DC/DC 的最坏情况负电阻处于最大负载和最小 Vin。

等式 1

对于我的设计中具有 44 uF 有效陶瓷旁路电容和 0.2 uH 磁珠的设计示例，我们假设最小 Vin 为 10V，最大负载为 100 W(30A 时为 3.3V)。这将计算出 1.0 欧姆的负电阻，这让我知道将输入滤波器的最大阻抗设定为 0.1 欧姆。

如上所述，最好的阻尼电阻是：

等式 2

这个等式最好的一点是，当电感和电容分别以 uH 和 uF 表示时它是有效的。在我们的例子中，0.2/44 或 0.0674 欧姆或 68mOhms 的平方根作为最接近的标准值。

我创建了一个简单的 PSPICE 仿真来快速计算输入滤波器的最大阻抗(带阻尼和不带阻尼)，并显示与 DC/DC 转换器负电阻的相互作用。要获得没有阻尼器的阻抗，请将阻尼上限值设置在 pF 范围内。要在没有负负载的情况下获得阻抗，请将负电阻值设置为 1000。所示值适用于我们使用传统 3x 阻尼电容器的设计示例。我选择的磁珠电阻为 9 mOhms，输入电容的 3 倍计算得出为 132 uF。为了获得阻抗，我将一个 1 安培的源应用于滤波器，并在一个范围内扫描频率，包括之前在 54 kHz 处计算的谐振频率。滤波器上的合成电压然后是欧姆阻抗。

图 1：输入滤波器的 PSPICE 电路，包括阻尼器和负负载电阻：

图 2：移除阻尼器后的阻抗图：负载系统和无阻尼器的频率响应

该图显示了 54 kHz 谐振频率附近的 1 ohm 峰值阻抗。这是一个阻尼差但仍然稳定的系统。如上所述，我仍然收到有关类似系统振荡的投诉

在仅由于负电阻而导致真正不稳定的系统中，由于右手极点，相位将在谐振之上反转(图 3)。我将负载增加到 200 W，这在 10V 输入时将负电阻降低到 0.5 欧姆。

图 3：过载系统和无阻尼器的频率响应显示不稳定

图 4：添加阻尼器的过载系统的频率响应

使用阻尼器，当负载加倍时，峰值阻抗仅增加 0.6 dB(-22.6 dB 与 -23.2 dB)。请注意，这里的 -20 dB 是 0.1 欧姆。

客户不想投入完整的 3 倍电容;他们只添加了 77 uF 的有效电容，而改用了 100 mOhms。仿真显示满载时的最大阻抗为 -20dB 或 0.10 ohms。

使用铝电解电容器作为阻尼器时，仍需要增加串联电阻。仿真需要在电容器的 ESR 处于其最大额定电阻时运行，然后其 ESR 处于其最小电阻(通常为其最大值的 1/5 至 1/4)。此外，需要验证通过铝电解电容器的满负载纹波电流不会超过其额定值。

带有输入磁珠的 DC/DC 转换器需要输入阻尼，以确保输入谐振不会破坏主控制回路的稳定性。一个简单的模拟工具可以显示共振被充分抑制。