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怎样得到输出电压纹波低的 Buck 转换器?

发布时间:2021-10-09
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怎样得到输出电压纹波低的 Buck 转换器?

发布时间:2021-10-09
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有网友留言问射频模块的供电器件要怎么选,说是他的输入电压为 7V,输出电压为 5V,已经选了 RT6283B,但是纹波太大了,而他关注的是恰好是瞬态响应和纹波,现有RT6220A/RT6217/RT7295C/RT7240 可供备选,到底应该选哪个型号?这个问题要怎么解决呢?现在就来聊一聊。

纹波的来源

在 Buck 电路工作的时候,电感电流一般都呈现为锯齿波(非连续状态就不是了),它的平均值就是负载电流的平均值,高出平均值的那部分不能被负载吸收,自然就进入输出电容使输出电压上升,低于平均值的部分则由输出电容的储能予以弥补,这又使得输出电压下降。这种升升降降的结果就形成了纹波,纹波的峰值点和谷值点之间的电压差便是所谓的输出电压纹波幅度,RT6283B 的规格书给出这一参数的评估公式为

其中的 ESR 是输出电容的等效串联电阻,由所选用的输出电容决定,现在一般都使用陶瓷电容,所以这一数值通常都是比较小的;COUT 是输出电容的容量有效值,强调有效值是因为陶瓷电容在不同的工作电压下具有不同的容量,直流电压越高则容量越小,交流电压越高则容量越大,具体的数据需要向电容厂家查询,有的产品规格书里也有具体的信息,使用者需要特别关注;f 是 Buck 转换器的开关切换工作频率,一般由所选器件的设计所确定,有的器件也容许用户自己做设定,还有一些会支持你使用外部信号源来做同步运作,这时候的工作频率就由外部信号来决定了;∆IL 是电感电流纹波幅度,其计算公式为

这个式子里新出现的 L 是 Buck 转换器所用电感器的电感量,VIN 是输入电压,VOUT 是输出电压。
很显然,为了获得较低的输出电压纹波,我们希望 ∆IL 和 ESR 要比较小,同时又需要有比较大的 f 和 COUT。较大的 f 会使得 ∆IL 也会比较小,所以选择较高的工作频率对降低输出电压纹波总是比较有利的,我们在为低纹波应用选择 Buck 转换器时应该把视线投向那些工作频率比较高的器件身上,但在器件工作频率已经选定了的情况下,比较有效的做法就是增大输出电容的容量和电感器的电感量,这两个参数在电感纹波电流和输出电压纹波的计算公式中都处于分式的分母部分,所起的作用与提高工作频率的影响是相当的。
从另一个方面来看,该应用的工作条件是输入电压为 7V、输出电压为 5V,这属于占空比较高的应用,这种电路的工作特征是上桥开关在一个周期里的导通时间比较长、下桥开关导通时间比较短,留给自举电容的充电时间不足,可能出现上桥驱动能力差的问题,严重的时候还会出现无力驱动上桥的问题,所以需要在应用中添加如下图所示的外加充电电路:

恰好这个应用的输出电压为 5V,正好可以被拿来为它供电。这里使用的二极管可以是很便宜的 1N4148 和 BAT54 等型号,应该非常容易得到。需要注意的是有的 Buck 器件会有专门的 BOOT 端欠压检测功能,并且能够在欠压时强制将 SW 端拉到地电位以实现对自举电容的补充电,或者是采取保护性的措施来停止工作,我不知道 RT6283B 是否具有这样的特性,但估计是没有的,所以就需要使用者在遇到这样的状况时能查明问题并且采取相应的应对措施。很显然,如果没有有效的问题防范措施,上桥的驱动不足既可能造成保护状态的出现,也可能造成上桥的内阻增大而形成损耗、发热量增加,因为保护而造成输出电压纹波的增加似乎也是顺理成章的事。

下面再来说说轻载工作模式的影响,因为 RT6283B 采用了 PSM 的轻载工作模式,其好处是可以提高效率,带来的问题是它会增大输出电压纹波。

Buck 器件的工作通过上下桥开关的通断来进行,驱动这些开关的过程是要消耗能量的。当负载比较低的时候,Buck 转换器的电感电流还会出现负值,这一负值在下桥导通期间形成,又在上桥导通期间通过上桥将这部分能量释放到输入端,一来二去之间就造成了无效的损耗,所以就有轻载情况下的 PSM 工作模式来解决这个问题,上桥开关仅在需要时才会导通向输出端补充能量,一旦输出电压达到预定的幅值,这一操作便会停止,下桥开关在电感电流降到 0 以后也会主动关断,绝不给负电流留下形成的机会,这样就避免了不必要的浪费,但这样的操作也同时降低了工作频率,输出电压纹波将会明显增大。为了避免 PSM 工作模式所带来的问题,有的器件便会保留工作频率不变的 PWM 工作模式,容许负电流的生成,同时也就容许了损耗的产生,所以在轻载情况下的转换效率就会比较低,但是确保了输出电压的调整精度,输出纹波幅度会保持不变。文章开头提出的需求就需要保持输出纹波较低的状态,所以就需要选择纯粹的 PWM 工作模式,这种模式也被称为强制 PWM 工作模式,但是如果负载能接受轻载时的 PSM 模式所带来的纹波增加,使用包含轻载 PSM  模式的器件还是可以的,因为它们在重载的时候还是会进入连续导通模式,只有那种在任何情况下都以 PSM 模式工作的器件才不适合这样的场合。

总结
把上面所谈的信息综合起来就知道,留言的读者由于需要低纹波的电源供应,他应该优先选择工作频率比较高的器件,尽可能选择以强制 PWM 模式工作的器件,同时还要在设计中加入自举电容辅助充电电路、使用容量比较大的输出电容,PCB 设计也要特别进行优化,避免不恰当的设计带来电路性能的劣化。


选择 ACOT® 架构器件需要注意的问题
另外,或许是因为该读者希望获得良好的瞬态响应特性,打算另外选择的都是采用 ACOT® 控制架构的器件,瞬态响应特性好也确实是这种控制架构的一个优势,但有两个问题可能会成为这种架构在其应用中需要注意的。首先是ACOT® 架构器件的工作频率会在负载突变期间发生变化,这有可能带来难以处理的噪声。第二个问题是 7V 转 5V 需要的占空比比较高,所列型号所能达到的占空比也能支持这样的应用,但是高占空比会造成 ACOT® 控制电路内部所生成的纹波模拟信号的幅度的增加,它所带来的影响是响应的速度会变慢,这就可能带来欠阻尼现象甚至是不稳定现象的发生,需要在应用电路设计中增加前馈电容对此进行纠正,如果忽略了就可能在应用中遇到问题。

ACOT® 的优势在低占空比的应用中会比较明显,但在高占空比应用中可能就要稍逊一些,需要在设计上进行弥补,这是客户在选型和设计时需要特别注意的,不要有人说 ACOT® 好就是什么都好了,任何产品都有自己的适用空间和正确的使用方法,只有选对了、用好了才是真的好。为什么我们会有各种各样控制模式的产品提供给市场,我想这也是因为它们各有自己的优势,分别能够满足不同应用的需求的缘故,使用者也需要顺应这一需求。

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