關注“電源先生”,解析開關電源我是“余生死磕電源,致力于成為電源大師”的“電源先生”。
5.4.2.1 影響待機功耗
電阻者,能量消耗元件也!高邊反饋電阻和低邊反饋電阻是串聯(lián)在輸出電壓VOUT和GND之間的,也必然存在著能量消耗。對于電壓不變的情況,從功率計算公式 P=U^2/R 可知,阻值越小,功率損耗越大。同理,降壓電路高邊和低邊反饋電阻的取值越小,無負載輸入電流越大,或者說靜態(tài)功率損耗越大。尤其是在低功耗應用場合,為了提高輕載時的電源效率,或者說減小反饋電阻上的功率損耗,輸出電壓配置電阻 R_(FB,HS) 和 R_(FB,LS) 的阻值通常不小于10k(也不應過大,否則反饋電壓更容易拾取噪聲),可以在10-500kΩ之間選取,而且精度為 1% 或更好的電阻(因為從公式(5.1)可以看出,反饋電阻精度越高,由此得到的輸出電壓精度也越高)。
圖 5.9 MPQ4430 FB分壓電阻取值數(shù)量級不同帶來的效率差異
圖 5.9所示,尤其是對于MPQ4430這種低靜態(tài)電流(Low Iq)的轉換器來說,F(xiàn)B反饋分壓電阻取值數(shù)量級不同,會導致輕載效率不同。
對于含電池的產(chǎn)品,可以“適當”同比例增大 DC-DC 中 FB 分壓電阻的取值,來優(yōu)化產(chǎn)品的待機功耗。
5.4.2.2 影響輸出電壓精度
為了降低待機功耗,需要增大FB反饋電阻的阻值,那么取值是否越大越好呢?
與“開關頻率的選擇是電路尺寸與轉換效率的權衡取舍”類似,開關電源電路中任何參數(shù)的取值,都可能需要與其他參數(shù)之間進行權衡取舍,這里的FB反饋電阻的取值也是相同的道理,不是為了降低待機功耗,取值越大越好。
(1) 定性分析
圖 5.10 輸出電壓的計算公式
圖 5.10所示,高邊反饋電阻和低邊反饋電阻的中間節(jié)點連接到誤差放大器的反相輸入端,具有較小的誤差放大器的輸入電流 I_FB ,基于FB引腳(或節(jié)點)使用基爾霍夫電流定律可知:
使用電壓 V_OUT 和 V_REF (FB引腳電壓),以及電阻R1和R2表示上式,可得:
將上述等式兩邊同時乘以電阻R1,從而解得 V_OUT 表示如下:
這里,我們可以將該公式表述為,輸出電壓典型值 V_OUT 等于“目標電壓”(也就是“設計需求”中的輸出電壓典型值)?(1+R1/R2)×V_REF?與“增量電壓”?I_FB×R1?之和??梢?,只要保證R1和R2取值呈現(xiàn)一定的比例(或者說R1/R2為某常數(shù)),輸出電壓目標值 (1+R1/R2)×V_REF 是不變的。
但是,F(xiàn)B引腳的輸入電流 I_FB 是常數(shù),增量電壓 I_FB×R1 是會隨著R1增大而增大的,結果就是 V_OUT 也會越來越偏移預設的輸出電壓目標值,從而會降低輸出電壓精度。
(2) 定量分析
為了定量描述增量電壓 I_FB×R1 在輸出電壓目標值 (1+R1/R2)×V_REF 中的占比,我們將“增量電壓占輸出電壓目標值的比值”(簡稱“增量比”)定義如下:
可見,在參考電壓 V_REF 、FB引腳的輸入電流 I_FB 以及R1/R2都是常數(shù)的情況下,增量電壓占比會隨著R1阻值增大而同比例增大,由公式(5.19)決定的輸出電壓 V_OUT 的偏移量也就越來越大。
圖 5.11所示,因為電源芯片FB引腳具有較大的輸入阻抗,該引腳的輸入電流 I_FB 比較?。◣资畁A級別),實際進行反饋電阻取值時,可以要求該增量電壓占比小于0.1%,從而關注到反饋電阻能夠取得的最大值。這時,根據(jù)公式(5.20)可得:
從而解得高邊反饋電阻R1能夠取得最大值的表達式如下:
這其實可以作為反饋電阻取值時,先固定高邊反饋電阻的原因之一:先保證增量電壓 I_FB×R1 占輸出電壓 V_OUT 的比例“增量比”,或者輸出電壓 V_OUT 的偏移量,不超過目標值0.1%,這里稱為“輸出電壓‘增量比’不超過0.1%”的方法。注:該定量分析方法已經(jīng)被期刊錄用,參考前文 [?畢業(yè)十年來,第一次發(fā)表期刊論文?]...
5.4.2.3 影響反饋環(huán)路穩(wěn)定性
除了影響待機功耗和輸出電壓精度外,對于芯片內(nèi)部的環(huán)路特性,F(xiàn)B反饋電阻也會造成一定的影響。
圖 5.12所示,電壓型誤差放大器的增益 G_ea (s) 與高邊反饋電阻R1有關,在動態(tài)負載對紋波有要求的場景,可以調(diào)整 R1 阻值做進一步優(yōu)化。
圖 5.12 電壓型誤差放大器的增益與高邊反饋電阻R1有關
圖 5.13所示,當基于某轉換器已經(jīng)調(diào)試完成某個輸出電壓時,建議固定高邊反饋電阻R1阻值,通過調(diào)節(jié)低邊反饋電阻R2阻值實現(xiàn)不同的輸出電壓,如此使得這些電源都具有近似的環(huán)路特性。
圖 5.13 固定高邊反饋電阻R1,通過調(diào)節(jié)低邊反饋電阻R2實現(xiàn)不同的輸出電壓
圖 5.14所示,電流型誤差放大器的增益 G_ea (s) 與R1/R2比值有關,與R1和R2具體取值無關??梢韵裙潭ǜ哌叿答侂娮鑂1阻值,再計算低邊反饋電阻R2阻值,也可以反過來。
圖 5.14 電流型誤差放大器的增益與比值R1/R2有關