DC-DC分壓反饋電阻可以隨便取值嗎？
發(fā)布日期:2024-04-02
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相信每個(gè)硬件工程師應(yīng)該都用過(guò)DC-DC，那么分壓反饋電阻的取值有沒(méi)有想過(guò)呢？
實(shí)際應(yīng)用中大抵都是直接抄的手冊(cè)中推薦的分壓電阻阻值，就算沒(méi)有正好對(duì)應(yīng)輸出電壓的分壓阻值，也一般是選擇接近的電阻大小。
但是，總會(huì)有個(gè)別人可能想過(guò)：我想降低系統(tǒng)功耗，因此想讓FB的分壓電阻成倍增大，那到底有沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)呢？
最近在自己電腦的文件夾看到有一個(gè)文檔能回答這個(gè)問(wèn)題，因此，我就直接復(fù)制粘貼過(guò)來(lái)了，感興趣的兄弟們可以看看，分壓電阻主要影響4個(gè)方面：
1、效率
2、輸出電壓精度
3、噪聲敏感性
4、穩(wěn)定性
文檔全文如下：
引言
電阻式分壓器是所有DC/DC轉(zhuǎn)換器反饋系統(tǒng)中最為常見的網(wǎng)絡(luò)。但是，人們常常錯(cuò)誤地認(rèn)為，它是一種簡(jiǎn)單地通過(guò)將電壓調(diào)低至某個(gè)基準(zhǔn)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)的電路。在計(jì)算得到正確的分壓器分壓比以后，在選擇實(shí)際電阻值時(shí)電源設(shè)計(jì)人員還必須沉思熟慮，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響轉(zhuǎn)換器的總體性能。
本文將討論反饋系統(tǒng)中電阻式分壓器的一些設(shè)計(jì)考慮以及這種分壓器對(duì)轉(zhuǎn)換器效率、輸出電壓精確度、噪聲敏感性和穩(wěn)定性的影響。
1、效率
開關(guān)式 DC / DC 轉(zhuǎn)換器擁有相對(duì)較高的效率，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)一些低損耗組件（例如；電容、電感和開關(guān)）為負(fù)載提供電力輸送。高效率帶來(lái)更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間，從而延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的工作時(shí)間。
對(duì)低功耗 DC / DC 轉(zhuǎn)換器而言，典型的電阻式反饋設(shè)計(jì)均要求分壓器電阻器（R1+R2）具有非常大的總電阻（高達(dá)1MΩ)。這樣可以最小化反饋分壓器的電流。該電流會(huì)加到負(fù)載上．因此如果反饋分壓器電阻較小，則電池必需為相同負(fù)載提供更多的電流和功率。這樣一來(lái)，效率也就更低。這種狀況并不理想，特別是在一些需要長(zhǎng)電池使用時(shí)間的便攜式應(yīng)用中。
設(shè)計(jì)實(shí)例1
圖1表明，反饋電阻較低時(shí)，低負(fù)載的效率下降。本例中我們使用（ TI )TPS62060EVM，其中 VIN =5V. VouT =1.8V，并且啟用節(jié)能模式。在高負(fù)載電流下，負(fù)載功耗遠(yuǎn)大于電阻式反饋網(wǎng)絡(luò)的功耗。這就是不同R1和R2值的效率會(huì)集中在高負(fù)載電流的原因。但是，在低負(fù)載電流下，不同反饋電阻的效率差異更加明顯。這是因?yàn)?，分壓器的電流主?dǎo)了負(fù)載的電流。因此，要想擁有更高的輕負(fù)載效率，一種較好的設(shè)計(jì)方法是使用產(chǎn)品說(shuō)明書單中建議的大反饋電阻值。如果在某個(gè)特定設(shè)計(jì)中輕負(fù)載效率并不重要，則可以在對(duì)效率無(wú)明顯影響的情況下使用更小的電阻。
2、輸出電壓精確度
我們剛剛討論了如何利用大反饋電阻來(lái)提高效率。然而，選擇的電阻過(guò)大則會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的輸出電壓精確度。因?yàn)榇嬖谶M(jìn)入轉(zhuǎn)換器反饋引腳的漏電流。
圖2顯示了電阻式反饋分壓器（R1和R2）的電流通路。反饋漏電流（IFB）固定不變時(shí)，R1的電流( lR1）隨著R1和R2值增加而減小。因此，分壓器電阻增加也就意味著進(jìn)入反饋引腳的IR1漏電流百分比更大，并且R2的電流（1R2)降低，從而產(chǎn)生低于預(yù)期的反饋引腳電壓（ VFB )。我們將 VFB 同一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓比較，以此來(lái)設(shè)置輸出電壓，因此反饋電壓的任何一點(diǎn)誤差都會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不精確。我們可以由基爾霍夫( Kirchhoff )電流定律推導(dǎo)出方程式1．其表明VFB為R1和R2的函數(shù)：
請(qǐng)注意，IFB在實(shí)際系統(tǒng)中并非固定不變，會(huì)因器件不異，并隨工作狀態(tài)變化。要想估算出漏電流引起的輸出電壓極端變化情況，需在計(jì)算中使用IFB的最大規(guī)定值。&, amp;, amp;, lt;, , , /span>
設(shè)計(jì)實(shí)例2
方程式1和TI的TPS62130降壓轉(zhuǎn)換器用于繪制反饋引腳電壓及相應(yīng)輸出電壓情況，其為反饋分壓器電阻的函數(shù)（請(qǐng)參見圖3)。該電壓圖基于理想電阻，其可產(chǎn)生一個(gè)3.3V的輸出電壓，并且反饋引腳電壓為0.8V。需要考慮的唯一誤差項(xiàng)是產(chǎn)品說(shuō)明書中規(guī)定的100nA最大反饋漏電流。
很明顯，零點(diǎn)和極點(diǎn)都與電阻分壓器和前饋電容所使用的值有關(guān)。因此，增加或降低電阻值來(lái)優(yōu)化效率、電壓精度或者噪聲，會(huì)改變系統(tǒng)的整體環(huán)路。要想保住穩(wěn)定性，需要根據(jù)前面的零點(diǎn)或者是產(chǎn)品說(shuō)明書建議的零點(diǎn)（哪個(gè)值可用，就用哪個(gè)值），用方程式4計(jì)算一個(gè)新的CFF值：
圖3表明，反饋引腳電壓隨反饋分壓器電阻增加而下降。由于反饋引腳電壓得到補(bǔ)償，轉(zhuǎn)換器輸出也得到補(bǔ)償。低電阻時(shí)，沒(méi)有反饋引腳電壓的補(bǔ)償，并且輸出調(diào)節(jié)至設(shè)計(jì)規(guī)定的3.3V。
如果電阻器R2使用400kΩ的建議最大值（得到1650KΩ總分壓電阻），則漏電流僅產(chǎn)生較小的輸出電壓下降。一般而言，產(chǎn)品說(shuō)明書規(guī)定電阻器最大值是為了讓輸出電壓維持在產(chǎn)品說(shuō)明書規(guī)定精確度范圍內(nèi)。
3、噪聲敏感性
電阻式分壓器是轉(zhuǎn)換器的一個(gè)噪聲源。這種噪聲也稱作熱噪聲，分壓器使用大電阻值時(shí)，這種噪聲增加。
另外，大電阻會(huì)使更多噪聲耦合進(jìn)入轉(zhuǎn)換器中。產(chǎn)生這種噪聲的源頭有很多，包括 AM 和 FM 無(wú)線電波、手機(jī)信號(hào)和 PCB 上的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器或者 RF 發(fā)射器。噪聲甚至可以來(lái)自開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器本身，特別是 PCB 布局方法不當(dāng)時(shí)。由于電阻式分壓器連接反饋引腳，因此轉(zhuǎn)換器閉環(huán)增益會(huì)放大噪聲，從而出現(xiàn)在輸出端。要想降低對(duì)其他噪聲源的敏感性，設(shè)計(jì)人員可以使用更小的反饋電阻、更理想的電路板布局或者實(shí)施屏蔽。使用小反饋電阻的確可以降低噪聲敏感性，但代價(jià)是效率稍有降低。
4、控制環(huán)路、瞬態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性
理想狀態(tài)下，在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量時(shí)，一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器應(yīng)有至少45°的相位裕量。這么大的相位裕量降低甚至消除了輸出電壓振鈴，從而防止輸入電壓瞬態(tài)或者負(fù)載瞬態(tài)期間對(duì)電壓敏感型負(fù)載的破壞。
根據(jù)不同的控制拓?fù)洌a(chǎn)品說(shuō)明書可能會(huì)要求或者建議電阻式反饋網(wǎng)絡(luò)使用前饋電容（ CFF )。圖4顯示了這種裝置。給電阻式分壓器添加前饋電容可產(chǎn)生零點(diǎn)和極點(diǎn)，增加轉(zhuǎn)換器的相位裕量和交叉頻率，從而獲得一個(gè)更高帶寬、高穩(wěn)定性的系統(tǒng)。
由圖4所示電路傳輸函數(shù)，分別利用方程式2和3計(jì)算出零點(diǎn)fz和極點(diǎn)fp：
設(shè)計(jì)實(shí)例3
通過(guò)使用一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，我們看到了電阻式分壓器對(duì)轉(zhuǎn)化器穩(wěn)定性的影響。本例中，我們使用了TI TPS62240降壓轉(zhuǎn)換器，并且Vin=3.6V，Vout=1.8V，Lout=2.2uH，Cout=10uF，Iload=300mA。
圖5和圖6分別顯示了三種不同電阻式分壓器網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)響應(yīng)及其相應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都使用一個(gè)前饋電容，以描述分壓器網(wǎng)絡(luò)組件如何改變降壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性。當(dāng)使用分壓器網(wǎng)絡(luò)組件的產(chǎn)品說(shuō)明書建議值時(shí)（R1=365 kΩ,，R2=182 kΩ和CFF =22pF)，轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定，并且相位裕量為59°。它的瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證，其輸出電壓稍許下降，并且沒(méi)有振蕩。
當(dāng)反饋分壓器電阻按照比例降至R1=3.65kΩ，和R2=1.82 kΩ，但使用相同的前饋電容CFF=22pF時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)的零點(diǎn)和極點(diǎn)將發(fā)生變化。頻率響應(yīng)表面轉(zhuǎn)換器不太穩(wěn)定，相位裕量為40°。轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)證明輸出電壓壓降更大，且振鈴更多。為了維持原始頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性，我們重新計(jì)算CFF值，用于新的反饋電阻值。
利用方程式4，使用更小電阻值，前饋電容為2200pF，可計(jì)算得到新值。這樣得到的結(jié)果與第一種情況類似。相位裕量56°，轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定，其瞬態(tài)響應(yīng)得到驗(yàn)證，輸出電壓微降，并且沒(méi)有振蕩。
對(duì)于一個(gè)在其控制拓?fù)渲惺褂们梆侂娙莸霓D(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，改變電阻式分壓器的值很容易讓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定降低。但是這個(gè)例子僅僅表明，只要前饋電容調(diào)節(jié)適當(dāng)，改變這些值便可維持相同的頻率響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。
特殊情況設(shè)計(jì)
如果設(shè)計(jì)人員必須使用前饋電容來(lái)提高穩(wěn)定性，且一些轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部補(bǔ)償要求特定的CFF值。這種情況下，不應(yīng)使用方程式4。設(shè)計(jì)人員應(yīng)使用產(chǎn)品說(shuō)明書的建議設(shè)計(jì)方程式。例如，TITPS61070便有高側(cè)反饋電阻器（R1）的內(nèi)部補(bǔ)償。它的產(chǎn)品說(shuō)明書建議使用下列設(shè)計(jì)方程式，用于添加一個(gè)與R1并聯(lián)的電容：
結(jié)論
電阻式反饋分壓器或者網(wǎng)絡(luò)會(huì)影響 DC / DC 轉(zhuǎn)換器的效率、輸出電壓精確度、噪聲敏感度和穩(wěn)定性。要想獲得具體產(chǎn)品說(shuō)明書所列的性能，給反饋組件選擇使用產(chǎn)品說(shuō)明書建議值非常重要。另外，有些時(shí)候系統(tǒng)要求可能會(huì)背離這些建議，以達(dá)到其他一些設(shè)計(jì)目標(biāo)。在理解這些不同參數(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn)以后，設(shè)計(jì)人員才能正確地選擇更大或者更小的電阻來(lái)滿足其應(yīng)用需求。
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