如何在高效脈沖跳頻模式下選擇輸出濾波電容器

作者：Sungho Beck 德州儀器

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(kāi)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(kāi)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(guò)程變長(zhǎng)（也就是說(shuō)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(guò)系統(tǒng)板效率低于預(yù)期效果的這種問(wèn)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(lái)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(guò)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(kāi)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。