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如何在高效脉冲跳频模式下选择输出滤波电容器
发布时间：2014/5/24 10:25:00 来源：
脉冲跳频模式（PSM）是一种广泛用于提高轻负载效率的方法。我们将以具有PSM模式的TPS65290器件为例介绍如何选择输出滤波电容器。图1和图2分别显示了TPS65290在PSM模式下的简化方框图和输出波形。
如图1所示，在PSM模式下，只有SKIP_COMPARATOR参与了反馈环路。如果输出电压下降到最低值（图2中的Vout_pwm），降压转换器就会开启并将输出电容器充电至最高值（图2中的Vout_pwm+Vhys）。一旦输出电压达到最高值，转换器便开始进入睡眠状态，直到轻负载放电使输出电压再次降至最低值为止。
由于放电期间转换器处于睡眠状态，轻负载效率在PSM模式下相对于在普通脉宽调制（PWM）模式下运行可能会有所提高。如果放电过程变长（也就是说负载更轻），那么PSM相对于PWM的效率优势就会变得更加明显。
图1. TPS65290在PSM模式下的简化方框图
图2.DC-DC转换器在PSM模式下的简化输出波形
然而，PSM模式也会偏离理想波形，而且输出电容器选择不当还会降低效率。
我有一个客户就遇到过系统板效率低于预期效果的这种问题。客户希望实现出色的稳定性，因此要限制陶瓷电容器的最大电容。为达到想要的稳定性，客户使用钽电容器来补偿剩余的电容。这样，他们在系统板上添加了一个具有高等效串联电阻（ESR）的大电容钽电容器，并将其与低ESR小电容陶瓷电容器并联（如图3所示）。
图3. PSM模式下输出电容器选择不当
如果钽电容远远大于陶瓷电容，PSM的输出波形将会变成图4所示的情况。
图4.采用图3中输出电容选择方案所获得的输出波形
红线和蓝线分别代表输出电压和钽电容器的纯电容电压。钽电容器的ESR和电容都比较大，这就意味着其响应速度要比陶瓷电容器慢。因此在充电阶段，通过快速给陶瓷电容器充电使输出电压达到最大值，但这个阶段钽电容器的纯电容电压尚未达到最大值。
如果DC-DC转换器开始进入睡眠状态，则存储在陶瓷电容器中的电荷就会转移到钽电容器及负载上。因此，从陶瓷电容器向钽电容器的这种电荷转移会使输出电压快速下降，同时也会导致放电时间变短。随着放电时间缩短，PSM模式的效率优势也会随之降低。
为了在PSM模式下实现预期的高效率，高ESR电容器的电容应明显小于低ESR陶瓷电容器的电容。
如图1所示，在PSM模式下，只有SKIP_COMPARATOR参与了反馈环路。如果输出电压下降到最低值（图2中的Vout_pwm），降压转换器就会开启并将输出电容器充电至最高值（图2中的Vout_pwm+Vhys）。一旦输出电压达到最高值，转换器便开始进入睡眠状态，直到轻负载放电使输出电压再次降至最低值为止。
由于放电期间转换器处于睡眠状态，轻负载效率在PSM模式下相对于在普通脉宽调制（PWM）模式下运行可能会有所提高。如果放电过程变长（也就是说负载更轻），那么PSM相对于PWM的效率优势就会变得更加明显。
图1. TPS65290在PSM模式下的简化方框图
图2.DC-DC转换器在PSM模式下的简化输出波形
然而，PSM模式也会偏离理想波形，而且输出电容器选择不当还会降低效率。
我有一个客户就遇到过系统板效率低于预期效果的这种问题。客户希望实现出色的稳定性，因此要限制陶瓷电容器的最大电容。为达到想要的稳定性，客户使用钽电容器来补偿剩余的电容。这样，他们在系统板上添加了一个具有高等效串联电阻（ESR）的大电容钽电容器，并将其与低ESR小电容陶瓷电容器并联（如图3所示）。
图3. PSM模式下输出电容器选择不当
如果钽电容远远大于陶瓷电容，PSM的输出波形将会变成图4所示的情况。
图4.采用图3中输出电容选择方案所获得的输出波形
红线和蓝线分别代表输出电压和钽电容器的纯电容电压。钽电容器的ESR和电容都比较大，这就意味着其响应速度要比陶瓷电容器慢。因此在充电阶段，通过快速给陶瓷电容器充电使输出电压达到最大值，但这个阶段钽电容器的纯电容电压尚未达到最大值。
如果DC-DC转换器开始进入睡眠状态，则存储在陶瓷电容器中的电荷就会转移到钽电容器及负载上。因此，从陶瓷电容器向钽电容器的这种电荷转移会使输出电压快速下降，同时也会导致放电时间变短。随着放电时间缩短，PSM模式的效率优势也会随之降低。
为了在PSM模式下实现预期的高效率，高ESR电容器的电容应明显小于低ESR陶瓷电容器的电容。
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