给DCDC设置输出电压,两颗电阻,一个分压公式,通常几分钟就能算完。

麻烦往往出在后面:为了省点待机电流,把两颗电阻一起放大10倍;为了让反馈信号更抗干扰,又把它们一起缩小10倍。比例没变,输出电压看起来也没变,似乎怎么选都说得通。

我觉得这两颗电阻最容易被低估。原理图上只是一个分压器,接到FB以后,它就参与了电源的调节。电阻比例决定标称输出电压,阻值大小还会影响耗电、精度、噪声和动态响应。

先算比例,再算这条支路的电流

以下统一把接输出的一颗叫R1,接地的一颗叫R2。忽略FB输入电流时:

VOUT=VREF×(1+R1/R2)

假设基准为0.8V,要得到3.3V,R1/R2应为3.125。250kΩ配80kΩ、25kΩ配8kΩ,理想计算结果完全相同。

但两组电阻消耗的电流不同:

I分压=VOUT÷(R1+R2)

这条支路一直跨接在输出与地之间,负载睡着了,它仍然在耗电。

TPS62060应用电路与反馈电阻

把上面的例子列出来,差别就很直观了。

R1/R23.3V时分压电流分压支路功耗
25kΩ/8kΩ100μA330μW
250kΩ/80kΩ10μA33μW
2.5MΩ/800kΩ1μA3.3μW

对几安培的负载,几十微安不太显眼;对休眠电流只有几微安的设备,这条分压支路可能比负载还能耗。

看下面这组效率曲线:TPS62060在输入5V、输出1.8V、开启节能模式时,采用了三组不同阻值的反馈网络。改变反馈电阻后,重载区的效率曲线相差不大,轻载区却明显分开。

不同反馈电阻对应的轻载效率曲线

所以低功耗设计里,不能只看芯片的静态电流。输出电容的漏电、外围器件,以及这两颗反馈电阻,都要算进整机预算。分压电流是输出侧电流,也不能不经换算就当成电池输入电流。

阻值放大,FB漏电的分量也变重了

FB是高阻输入,但高阻不代表没有电流。芯片引脚偏置、PCB污染和潮湿造成的漏电,都可能分走反馈节点上的电流。

反馈分压网络及流入FB引脚的电流方向

有个方向问题要讲清楚:当电流从分压节点流入FB引脚时,若输出暂时不动,FB电压会降低;调节环路为了把FB拉回基准,反而会把输出往上抬。 若电流方向相反,误差方向也会相反。

把流入FB的电流记为正值,在电源仍正常稳压、FB约等于基准的简化条件下:

VOUT=VREF×(1+R1/R2)+IFB×R1

因此,仅这项电流造成的输出偏差约为:

ΔVOUT=IFB×R1

假设流入电流为100nA:上面的250kΩ上臂会带来约25mV偏差;换成2.5MΩ,偏差就增到250mV,已经接近3.3V的7.6%。

这里的100nA只是演算条件,实际要查所用芯片的最大值、方向及温度条件,再合并基准精度、电阻容差等误差。不能拿一颗芯片在室温下的典型值,包办整批产品的表现。

省下9μA,换来多大误差? 电阻放大之前,这笔账得先算。

电阻越大,反馈节点越容易受干扰

反馈节点对外呈现的阻抗,可以先用R1与R2的并联值来理解。两颗电阻同比例放大10倍,这个等效电阻也放大10倍。

在简化的低频模型里,同样一股耦合进来的干扰电流,会形成更大的节点电压扰动。电阻的热噪声也要考虑:相同温度和观察带宽下,电压噪声有效值随电阻平方根增加。

电源周围最不缺的就是干扰源。SW节点快速跳变,电感、栅极驱动和大电流回路都在附近。反馈线绕着开关节点走一圈,再靠软件滤波处理负载上的异常,方向就走偏了。

我会先检查三个位置:分压电阻是否靠近FB,反馈线是否远离SW,分压下臂是否按手册回到合适的安静地。 输出取样点也应避开明显的走线压降。

减小阻值有助于降低节点阻抗,但不能替代正确布局。更不能随手给FB并一颗大电容,把受干扰的问题变成新的环路问题。

小电容没改,动态响应可能已经变了

不少DCDC会在上臂R1两端并一颗前馈电容CFF。它在直流下近似开路,看标称输出公式时很容易把它忽略。

负载一变化,这颗电容就参与工作了。

上臂并联前馈电容的反馈网络

对于图中这种理想反馈网络,零点和极点分别为:

fz=1÷(2πR1CFF)

fp=1÷[2π(R1∥R2)CFF]

阻值变了,频率位置就跟着变。电阻都缩小100倍,而CFF保持原值,零点和极点会一起移向原来的100倍频率。

再看一组TPS62240的对比测试。输入3.6V、输出1.8V,电感2.2μH,输出电容10μF,负载在0到300mA之间跳变,只调整反馈网络的参数。

R1R2CFF实验相位裕量
365kΩ182kΩ22pF59°
3.65kΩ1.82kΩ22pF40°
3.65kΩ1.82kΩ2200pF56°

三组反馈网络的频率响应对比

第二组只改电阻,分压比没动,但相位裕量降低。第三组把CFF相应放大100倍,让相关RC时间常数回到原来的量级,响应也接近第一组。

再看瞬态波形,中间那组的电压下陷和振铃更明显。

三组反馈网络在负载阶跃下的实际响应

这组TI测试中,三组电阻的比例相同,动态表现却不同。第二组40°的相位裕量说明稳定裕量变小,尚不能凭这个数值认定电源已经自激。

按比例反向调整CFF,适用于分析这种简单网络。遇到特殊内部补偿、指定纹波要求或厂家给出专用公式的芯片,仍应按对应手册设计,不能把这组换算当成通用补偿方法。

改这两颗电阻,我会按这张表检查

要检查的事要得到的结果
输出电压与电阻比算清标称值,并核对基准和电阻容差
手册规定的阻值范围看清约束的是上臂、下臂还是总阻值
休眠与轻载功耗分压支路不能漏算
FB输入电流及板面漏电用最坏条件估算输出偏差
CFF及内部补偿要求改阻值时同步检查零极点与专用公式
PCB与实测检查反馈取样、回地、启动和负载阶跃

我的习惯是先用手册推荐值把电源做好。有明确的待机功耗或抗干扰需求,再去调整阻值,并把误差、前馈网络和动态响应一起复查。

分压比算对,只完成了输出设定;两颗电阻选得合适,还得让电源省得下电、稳得住压、经得起负载变化。