電源提示：如何降低 D-CAP 控制輸出電容

在為開關(guān)穩(wěn)壓器選擇輸出電容時，輸出紋波或瞬態(tài)響應(yīng)等應(yīng)用要求通常會決定您需要多少輸出電容。這假設(shè)您可以調(diào)整補償網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)各種輸出電容器。對于沒有補償?shù)目刂萍軜?gòu)（例如 D-CAP? 控制），您選擇的輸出電容器也應(yīng)保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

這是一個具有以下應(yīng)用要求的示例：

· V IN = 10V。

· VOUT = 3.3V 。

· Iout = 20A。

· Fsw = 400KHz。

· 輸出紋波 = ± 0.5%。

· 輸出電流階躍 = 5A，di/dt 為 10A/μsec。

· 允許的瞬態(tài)過沖和下沖 = ± 3%，包括輸出紋波。

我選擇了一個 D-CAP 穩(wěn)壓器TPS53355和一個 1.0μH 的電感器。該應(yīng)用需要全陶瓷輸出電容器。為了滿足 ± 0.5% 的輸出紋波要求，我需要 30μF 的輸出電容。為了滿足 3% 的瞬態(tài)響應(yīng)要求，我需要 146μF 的輸出電容，假設(shè)交叉頻率為開關(guān)頻率的六分之一。在最大允許紋波注入為 50mV 的情況下，使用TPS53355 數(shù)據(jù)表中的公式 11，我計算出我需要 240μF 的輸出電容來實現(xiàn)穩(wěn)定性。這意味著我需要一個額外的 94μF 電容來實現(xiàn)穩(wěn)定性而不是瞬態(tài)響應(yīng)。

在沒有額外 94μF 電容的情況下如何實現(xiàn)穩(wěn)定性？我有一個簡單的解決方案。這個想法是為帶有電容器的反饋系統(tǒng)創(chuàng)建一個 240 μF 的等效輸出電容，以滿足瞬態(tài)響應(yīng)要求。為此，我在反饋路徑中添加了一個交流衰減器級，如圖 1 所示。

圖 1：具有交流衰減器級的降壓轉(zhuǎn)換器框圖

系統(tǒng)交叉頻率通常是開關(guān)頻率的六分之一到四分之一，遠(yuǎn)高于降壓轉(zhuǎn)換器的雙極點頻率。圖 1 所示的交流衰減器設(shè)計為在高于雙極頻率的頻率下也有效。隨后的討論只是前頻遠(yuǎn)高于雙極頻率。

如果交流衰減器的衰減為 K，則圖 2 所示系統(tǒng)在高于開關(guān)頻率四分之一的頻率下應(yīng)具有與圖 1 所示系統(tǒng)相似的環(huán)路增益。

圖 2：具有 K 倍輸出電容的等效框圖

我是如何插入交流衰減器的？讓我們檢查一下 D-CAP 穩(wěn)壓器的原始反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖 3 所示。

圖 3：具有 DCR 注入電路的 D-CAP 穩(wěn)壓器框圖

Cp 通常比 Cff 大得多，并且可以認(rèn)為在高于交叉頻率的頻率下短路。上拉電容 Cff 和電阻 Rup 形成零。分頻器增益在高頻時增加到 1，如圖 4 所示。為了衰減分頻器增益，我在 FB 引腳和 GND 之間添加了一個下拉電容器 Cpp。圖 4 顯示了 1nF Cpp 對反饋增益的影響。在開關(guān)頻率的四分之一處，反饋網(wǎng)絡(luò)增益降低了 5dB。這相當(dāng)于衰減 1.8。

圖 4：從 V OUT到 FB 的傳遞函數(shù)的波特圖，有和沒有 Cpp

如果使用 160μF 輸出電容，則衰減器會產(chǎn)生 288μF 的等效電容以保持穩(wěn)定性。由于 Rp 和 Cp 同時對輸出電容和紋波注入施加衰減，因此原始穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)仍然有效。參考TPS53355 數(shù)據(jù)表中的公式 7 ，需要一個等效串聯(lián)電阻、11mΩ ESR 以確保穩(wěn)定性。

等式 1 

Cp 上的紋波幅度應(yīng)與上面計算的 ESR 上的紋波幅度相似。因此，我將 Rp 計算為：

等式 2

滿載時電感下降至 0.9μH。我為 Rp 選擇了 7.87KΩ 的標(biāo)準(zhǔn)電阻值。

為了驗證我提出的解決方案，我修改了具有集成 FET DCAP 穩(wěn)壓器的高功率密度降壓轉(zhuǎn)換器 TI 參考設(shè)計以滿足應(yīng)用要求。以下是關(guān)鍵電路參數(shù)：

· L = 1.0μH。

· 總輸出電容 = 161μF。

· 對于 DCR 注入電路：

· Rp = 7.87kΩ 和 Cp = 0.01μF。

· 對于電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)：

· Rlow = 3.24kΩ，Rup = 14kΩ，Cff = 1nF，Cpp = 1nF。

圖 5 顯示了TPS53355的測量波特圖。系統(tǒng)相位裕度大于60度，增益裕度大于14dB。

圖 5：TPS53355的測量波特圖

根據(jù)應(yīng)用要求進行負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)測試。圖 6 顯示了瞬態(tài)響應(yīng)性能。過沖和下沖低于 ±99mV 要求。

圖 6：負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)

輸出紋波滿足±0.5% V OUT要求。

圖 7：TPS53355的輸出紋波（V IN = 12.6V，Io = 20A，示波器處于余輝模式）

只需在 FB 引腳和 GND 之間添加一個小電容，就可以大大降低使用全陶瓷輸出電容進行 D-CAP? 控制的輸出電容要求。我的解決方案提供了一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，具有令人滿意的應(yīng)用性能。