如何在高效脈沖跳頻模式下選擇輸出濾波電容器
發(fā)布時(shí)間:2020-08-13 來源:Sungho Beck 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】脈沖跳頻模式 (PSM) 是一種廣泛用于提高輕負(fù)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(jiǎn)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(huán)路。如果輸出電壓下降到最低值(圖 2 中的 Vout_pwm),降壓轉(zhuǎn)換器就會(huì)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(dá)到最高值,轉(zhuǎn)換器便開始進(jìn)入睡眠狀態(tài),直到輕負(fù)載放電使輸出電壓再次降至最低值為止。
由于放電期間轉(zhuǎn)換器處于睡眠狀態(tài),輕負(fù)載效率在 PSM 模式下相對(duì)于在普通脈寬調(diào)制 (PWM) 模式下運(yùn)行可能會(huì)有所提高。如果放電過程變長(zhǎng)(也就是說負(fù)載更輕),那么 PSM 相對(duì)于 PWM 的效率優(yōu)勢(shì)就會(huì)變得更加明顯。
圖 1. TPS65290 在 PSM 模式下的簡(jiǎn)化方框圖
圖 2.DC-DC 轉(zhuǎn)換器在 PSM 模式下的簡(jiǎn)化輸出波形
然而,PSM 模式也會(huì)偏離理想波形,而且輸出電容器選擇不當(dāng)還會(huì)降低效率。
我有一個(gè)客戶就遇到過系統(tǒng)板效率低于預(yù)期效果的這種問題。客戶希望實(shí)現(xiàn)出色的穩(wěn)定性,因此要限制陶瓷電容器的最大電容。為達(dá)到想要的穩(wěn)定性,客戶使用鉭電容器來補(bǔ)償剩余的電容。這樣,他們?cè)谙到y(tǒng)板上添加了一個(gè)具有高等效串聯(lián)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(lián)(如圖 3 所示)。
圖 3. PSM 模式下輸出電容器選擇不當(dāng)
如果鉭電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陶瓷電容,PSM 的輸出波形將會(huì)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(lán)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(yīng)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(dá)到最大值,但這個(gè)階段鉭電容器的純電容電壓尚未達(dá)到最大值。
如果 DC-DC 轉(zhuǎn)換器開始進(jìn)入睡眠狀態(tài),則存儲(chǔ)在陶瓷電容器中的電荷就會(huì)轉(zhuǎn)移到鉭電容器及負(fù)載上。因此,從陶瓷電容器向鉭電容器的這種電荷轉(zhuǎn)移會(huì)使輸出電壓快速下降,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致放電時(shí)間變短。隨著放電時(shí)間縮短,PSM 模式的效率優(yōu)勢(shì)也會(huì)隨之降低。
為了在 PSM 模式下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的高效率,高 ESR 電容器的電容應(yīng)明顯小于低 ESR 陶瓷電容器的電容。
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