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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

文章來源：更新時間：2014/5/24 10:25:00

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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。

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）。

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。

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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