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电路设计中如何解决电压跌落问题

问题背景:

在电路设计中,我们设计一个系统的PMIC模块时,首先要考虑的就是负载功率多大、电流的最大值、电压纹波要求等,然后根据这些要求去选型,但是在有些电路中会有前提条件,比如说某些电子产品要求用USB2.0供电,但是瞬时功率肯定大于了USB2.0口的最大供电功率,下图是USB接口的供电能力。


国产电磁兼容仪器设备


从上图就可以看出USB 2.0接口最大输出的电功率为2.5W,USB 3.0接口输出的最大功率为4.5W。

举个栗子:

比如在一个电子系统中,我们要求模组用USB2.0供电,系统电路中有大电流负载瞬时功率为5V x 5A,这种情况下,如果电路还是按常规的电源原则设计,做出的产品一定会有问题,轻则负载不工作,重则系统不断重启或者也不工作。

遇到上面这种情况应该如何解决?


原因分析:

上面举的栗子就是典型的供电功率不够,工作瞬间造成电路中关键的电压跌落,超出了某些芯片的允许的范围,在示波器上的表现如下:


国产电磁兼容仪器设备


图中的波形是USB接口接入板卡后,测试的5V波形,其中凹陷的地方就是电压产生的跌落。


解决方法:

要解决电压跌落的问题,首先要确定是哪一部分的电路,一般情况下都是大电流的电路,可以在具体电路中进一步 确定。

确定的具体的电路模块后,就可以分析用哪种方法去补偿这些跌落,可以选择在负载供电的位置并联低ESR的钽电容或者电解电容(如果对PCB尺寸要求高,用钽电容比较合适),那么电容的容值如何确定?


满足负载续航时间的电容容量求取方法

电路正常工作时的输入功率为P,储能电容的容量为C,两端的电压为U1,则电容储存的能量为W1=C(U12)/2,其中U12 表示U1的平方。


当输入电源掉电后,经过时间t,电容两端的电压为U2,此时电容剩余电量为


W2=C(U2**2)/2


这一过程中储能电容释放的能量为


W=W1-W2=C(U12-U22)/2


他等于电路维持正常工作所需的能量


W=Pt,(即输入功率乘以时间)


所以有


C(U12-U22)/2=Pt


由此就可以得到电路维持时间t所需的最小电容容量为


C=2Pt/(U12-U22)


在实际应用中,U2是电路能够正常工作的最低输入电压。


下面举例说明:


若电路正常工作时的输入电压为12V(U1),输入功率为5W(P),能够正常工作的最低输入电压为11V(U2),要求输入电源掉电5ms(t)时电路仍然能够正常工作,则所需储能电容的最小电容量为


C=2Pt/(U12-U22)


=255/(122-112)


=2.174mF =2174uF


上述求取电容量的方法适用于直流电路,对于交流电路还要根据具体情况进行分析。



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