DC-DC----FB分壓電阻的設計

引言：DC-DC的分壓反饋調節環路是最為常見的環路網絡，但是我們大都會簡單的認為它是一種將電壓調低至某個基準電壓來實現輸出電壓的調節的電路。在計算得到分壓比之后，如何選擇合適的阻值是需要經過一定考量的，而不是隨性取值。本節將簡述DC-DC反饋環路中分壓電阻的取值對轉換器效率、輸出電壓精度和環路穩定性的影響。

1.功耗和效率

如圖17-1所示是典型的電阻分壓式反饋拓撲，FB采集分壓進入EA（誤差放大器）和基準電壓Vref比較，所以FB是運放端會汲取一定的電流。FB的分壓電阻也是一個待機功耗設計點，分壓電阻取值太小，系統損耗會有所增大。同樣條件下，MΩ級別分壓電阻輸出空載時輸入電流只有十幾uA，而使用十幾k的分壓電阻輸入電流卻高達上百uA，兩者在負載電流為1mA時，轉換效率更是相差非常大。

在高負載電流下，負載功耗遠遠大于電阻反饋網絡的功耗，但是在低負載電流下，不同反饋電阻的效率差異更加明顯，因為分壓電阻網絡主導了負載電流，因此要想擁有更高的輕負載效率，一種比較好的設計方法就是使用大阻值反饋電阻，如果在某個特定設計中輕負載效率并不重要，則可以在對效率無明顯影響下使用較小的電阻。

對低功耗DC-DC來說，典型的電阻式反饋設計一般要求上分壓電阻R1+下分壓電阻R2具有非常大的總電阻，經驗式為R1+R2≈1MΩ，因為這樣可以最小化流過反饋分壓電阻的電流。

待機功耗，DC-DC待機時EA也是在工作的，只是此時沒有Rload，如果器件經常處于待機狀態，那么就需要考慮如何減小待機功耗，如果器件工作時間居多，待機功耗可以忽略不計。在含電池或者對能效有要求的設備中，我們可以適當增大FB分壓電阻阻值來減小設備待機功耗。

圖17-1：典型的電阻分壓式反饋拓撲

2.輸出電壓精度

根據上面所說，R1+R2的取值應該越大越好，但實際情況是，選擇的電阻過大會影響DC-DC的輸出電壓精度，因為存在進入DC-DC反饋引腳FB的漏電流。由圖17-1所示電流分徑有：

再根據基爾霍夫電流定律有：

當反饋電流IFB固定不變時，IR1隨著R1和R2的值增加而減小，因此分壓器電阻增加也意味著進入反饋引腳的IR1漏電流百分比更大，并且IR2降低，從而產生低于預期的反饋引腳電壓VFB。我們將VFB同內部基準電壓Vref比較以此來輸出電壓，反饋電壓的任何一點誤差都會導致輸出電壓不精確。但是IFB在實際系統中并非固定不變，不同的器件均不相同，并且也隨工作狀態而變化。要想估算出漏電流引起的輸出電壓極端變化情況，需要在計算中使用IFB的最大規定值。

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3.補償器增益

圖17-2：電流型運放

如圖17-2為電流型運放補償網絡，其中Gm為運放跨導系數，Zf(S)為RC補償網絡函數，電流型運放的Gea(S)與R1和R2的比值有關，但電流型運放補償器增益與R1、R2取值并無直接關聯。

圖17-3：電壓型運放

如圖17-3為電壓型運放補償網絡，當反饋電阻只是單電阻的情況時，

其中Zf(S)為RC補償網絡函數，當反饋網絡只是單電阻情況時，電壓型運放補償器增益Gea(S)與上變壓電阻R1有關。在動態負載對紋波有要求的場景，我們可以調整R1阻值做進一步優化，為了保證輸出電壓精度，FB分壓電阻不能選擇極大阻值，建議分壓電壓阻值滿足：

圖17-4：常更改下分壓電阻

如圖17-4，無論哪種運放，對于不同輸出電壓場景，建議固定上分壓電阻阻值，更改下分壓電阻阻值來獲得相近的環路特性。

4.噪聲敏感性

電阻式分壓器是DC-DC的一個噪聲源，這種噪聲等于4KBTR，其中KB為波爾玆曼常數，T為開式溫度，而R為電阻。分壓器使用大電阻時，這種噪聲會增加。

此外大電阻也會使更多噪聲耦合進入DC-DC中，產生這種噪聲的源頭有很多，包括AM和FM無線電波，手機信號和其它的DC-DC以及RF發射器等等。尤其是當PCB布局不當，DC-DC閉環增益會放大噪聲從而出現在輸出端。要想降低對其他噪聲源的敏感性，可以使用更小的反饋電阻。

5.布線注意點

如圖17-5，FB是誤差放大器的負輸入端，這是個高阻抗腳位，因此容易耦合一些噪聲。在實際應用中，常常會遇見分壓電阻R1和R2放在輸出電容端，導致FB走線較長。這條走線充當了天線，更加容易符合非真實反饋，進而引起輸出電壓變化或者不穩。在電路布線中，我們需要短FB走線，分壓電阻盡可能靠近DC-DC本體。

圖17-5：長FB走線帶來的天線耦合效應

R1和R2應靠近IC的FB拐角布置，而Vout是直流電平，抗干擾能力強可以長走線。一般在輸出電流只有幾A時，R2的地可以選擇在芯片的地附近連接。但是如果輸出電流大于10A，Vout線上會損失電壓（Vdrop），導致實際的輸出電壓會比預設電壓低。這種情況我們建議如圖17-6所示，近端接地，遠端采樣。

圖17-6：大電流建議layout的樣式

建議FB走線要盡可能短，盡可能不分層，且周圍不要有干擾源，比如開關、電感以及不干凈的GND。

6.小結

反饋電阻的阻值根據使用DC-DC的不同分為兩大類。其中一類DC-DC被設計為不需要節能工作或者面向大電流應用，使用幾十kΩ的反饋電阻。因為反饋電阻是幾十kΩ，如果使用幾百kΩ以上電阻的話，其反饋電路的阻抗會變的很高，工作不穩定，有可能因為噪音發生誤動作。同樣如果使用幾kΩ以下電阻的話，反饋電路會增加無效電流使得效率低下。

另一類DC-DC被設計成節能型，使用幾百kΩ的反饋電阻。這樣減少反饋電阻的無效電流、提高效率。此類DC-DC的反饋電阻被設定成幾百kΩ也能夠穩定工作。所使用IC的Datasheet 上會記載參考電阻，推薦使用差異并不是很大的電阻。

另外，以上這些DC-DC的分壓電阻取值的討論可以遷移到LDO的分壓電阻取值上，相關結論LDO也同樣適用。