如何在高效脈衝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】脈衝跳頻模式 (PSM) 是一種廣泛用於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,隻有 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並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。
由於放電期間轉換器處於睡眠狀態,輕負載效率在 PSM 模式下相對於在普通脈寬調製 (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),那麼 PSM 相對於 PWM 的效率優勢就會變得更加明顯。

圖 1. TPS65290 在 PSM 模式下的簡化方框圖

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(wo)有(you)一(yi)個(ge)客(ke)戶(hu)就(jiu)遇(yu)到(dao)過(guo)係(xi)統(tong)板(ban)效(xiao)率(lv)低(di)於(yu)預(yu)期(qi)效(xiao)果(guo)的(de)這(zhe)種(zhong)問(wen)題(ti)。客(ke)戶(hu)希(xi)望(wang)實(shi)現(xian)出(chu)色(se)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing),因(yin)此(ci)要(yao)限(xian)製(zhi)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)最(zui)大(da)電(dian)容(rong)。為(wei)達(da)到(dao)想(xiang)要(yao)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing),客(ke)戶(hu)使(shi)用(yong)鉭(tan)電(dian)容(rong)器(qi)來(lai)補(bu)償(chang)剩(sheng)餘(yu)的(de)電(dian)容(rong)。這(zhe)樣(yang),他(ta)們(men)在(zai)係(xi)統(tong)板(ban)上(shang)添(tian)加(jia)了(le)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)高(gao)等(deng)效(xiao)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu) (ESR) 的大電容鉭電容器,並將其與低 ESR 小電容陶瓷電容器並聯(如圖 3 所示)。

圖 3. PSM 模式下輸出電容器選擇不當
如果鉭電容遠遠大於陶瓷電容,PSM 的輸出波形將會變成圖 4 所示的情況。

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(he)電(dian)容(rong)都(dou)比(bi)較(jiao)大(da),這(zhe)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)其(qi)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)要(yao)比(bi)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)慢(man)。因(yin)此(ci)在(zai)充(chong)電(dian)階(jie)段(duan),通(tong)過(guo)快(kuai)速(su)給(gei)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong)器(qi)充(chong)電(dian)使(shi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)最(zui)大(da)值(zhi),但(dan)這(zhe)個(ge)階(jie)段(duan)鉭(tan)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)純(chun)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)尚(shang)未(wei)達(da)到(dao)最(zui)大(da)值(zhi)。
如果 DC-DC 轉zhuan換huan器qi開kai始shi進jin入ru睡shui眠mian狀zhuang態tai,則ze存cun儲chu在zai陶tao瓷ci電dian容rong器qi中zhong的de電dian荷he就jiu會hui轉zhuan移yi到dao鉭tan電dian容rong器qi及ji負fu載zai上shang。因yin此ci,從cong陶tao瓷ci電dian容rong器qi向xiang鉭tan電dian容rong器qi的de這zhe種zhong電dian荷he轉zhuan移yi會hui使shi輸shu出chu電dian壓ya快kuai速su下xia降jiang,同tong時shi也ye會hui導dao致zhi放fang電dian時shi間jian變bian短duan。隨sui著zhe放fang電dian時shi間jian縮suo短duan,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於低 ESR 陶瓷電容器的電容。
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