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如何在高效脈沖跳頻模式下選擇輸出濾波電容器

發布時間:2020-08-13 來源:Sungho Beck 責任編輯:wenwei

【導讀】脈沖跳頻模式 (PSM) 是一種廣泛用于提高輕負載效率的方法。我們將以具有 PSM 模式的 TPS65290 器件為例介紹如何選擇輸出濾波電容器。圖 1 和圖 2 分別顯示了 TPS65290 在 PSM 模式下的簡化方框圖和輸出波形。
 
如圖 1 所示,在 PSM 模式下,只有 SKIP_COMPARATOR 參與了反饋環路。如果輸出電壓下降到最低值(圖 2 中的 Vout_pwm),降壓轉換器就會開啟并將輸出電容器充電至最高值(圖 2 中的 Vout_pwm+Vhys)。一旦輸出電壓達到最高值,轉換器便開始進入睡眠狀態,直到輕負載放電使輸出電壓再次降至最低值為止。
 
由于放電期間轉換器處于睡眠狀態,輕負載效率在 PSM 模式下相對于在普通脈寬調制 (PWM) 模式下運行可能會有所提高。如果放電過程變長(也就是說負載更輕),那么 PSM 相對于 PWM 的效率優勢就會變得更加明顯。
 
如何在高效脈沖跳頻模式下選擇輸出濾波電容器
圖 1. TPS65290 在 PSM 模式下的簡化方框圖
 
如何在高效脈沖跳頻模式下選擇輸出濾波電容器
圖 2.DC-DC 轉換器在 PSM 模式下的簡化輸出波形
 
然而,PSM 模式也會偏離理想波形,而且輸出電容器選擇不當還會降低效率。
 
我有一個客戶就遇到過系統板效率低于預期效果的這種問題。客戶希望實現出色的穩定性,因此要限制陶瓷電容器的最大電容。為達到想要的穩定性,客戶使用鉭電容器來補償剩余的電容。這樣,他們在系統板上添加了一個具有高等效串聯電阻 (ESR) 的大電容鉭電容器,并將其與低 ESR 小電容陶瓷電容器并聯(如圖 3 所示)。
 
如何在高效脈沖跳頻模式下選擇輸出濾波電容器
圖 3. PSM 模式下輸出電容器選擇不當
 
如果鉭電容遠遠大于陶瓷電容,PSM 的輸出波形將會變成圖 4 所示的情況。
 
如何在高效脈沖跳頻模式下選擇輸出濾波電容器
圖 4. 采用圖 3 中輸出電容選擇方案所獲得的輸出波形
 
紅線和藍線分別代表輸出電壓和鉭電容器的純電容電壓。鉭電容器的 ESR 和電容都比較大,這就意味著其響應速度要比陶瓷電容器慢。因此在充電階段,通過快速給陶瓷電容器充電使輸出電壓達到最大值,但這個階段鉭電容器的純電容電壓尚未達到最大值。
 
如果 DC-DC 轉換器開始進入睡眠狀態,則存儲在陶瓷電容器中的電荷就會轉移到鉭電容器及負載上。因此,從陶瓷電容器向鉭電容器的這種電荷轉移會使輸出電壓快速下降,同時也會導致放電時間變短。隨著放電時間縮短,PSM 模式的效率優勢也會隨之降低。
 
為了在 PSM 模式下實現預期的高效率,高 ESR 電容器的電容應明顯小于低 ESR 陶瓷電容器的電容。
 
 
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