怎樣降低Buck轉(zhuǎn)換器的PSM紋波？

2021 年的時(shí)候?qū)戇^一篇文章——《 PWM 和 PSM 模式的區(qū)別 》，它以最高工作電壓為 17V 的 ACOT 架構(gòu) Buck 轉(zhuǎn)換器 RT6252A/B 為例對 Buck 轉(zhuǎn)換器的 PWM 和 PSM 模式進(jìn)行了比較，剛剛有讀者在該文章下留言，希望談?wù)勅绾谓档?PSM 模式下的紋波，其工作條件是 48V 轉(zhuǎn) 5V 給 MCU 供電，所以我就以 RT6363 為例來談?wù)勥@個(gè)問題。

RT6363 是最高工作電壓可以到 60V 的 Buck 轉(zhuǎn)換器，負(fù)載能力為 3.5A，與之同系列的器件分別可以提供 0.5A-5A 的負(fù)載能力，同時(shí)還有工業(yè)級和汽車級的型號可供用戶使用，覆蓋的應(yīng)用范圍非常廣泛，我記得自己針對該系列器件寫過很詳細(xì)的使用說明，內(nèi)容全部來自規(guī)格書，但融入了自己的理解，感興趣的讀者可以去找來看看。

RT6363 的規(guī)格書包含了決定紋波幅度的各種信息，理解它們以后就能得到降低 PSM 紋波的方法，下面我就演示一下要如何做。

如果你對 PSM 的工作形態(tài)不太了解，RT6363 規(guī)格書中的這幅圖可以拿來參考：

圖中的兩個(gè)波形，綠色的是開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓波形，黃色的是輸出電壓紋波的波形。 PSM 模式下的開關(guān)動作是斷續(xù)的，僅在輸出電壓低于預(yù)設(shè)電壓的時(shí)候才會有動作，其他時(shí)間就處于靜默狀態(tài)以減低消耗。 輸出電壓紋波是與開關(guān)動作對應(yīng)的，動作過程會造成輸出電壓的上升，不動的時(shí)候輸出電壓就會慢慢下降。 開關(guān)動作連續(xù)發(fā)生的數(shù)量與負(fù)載大小有關(guān)，也與每個(gè)開關(guān)動作能夠?qū)⑤斎攵说哪芰哭D(zhuǎn)移到輸出端的多少有關(guān)。 如果負(fù)載和輸入都非常穩(wěn)定，控制回路的穩(wěn)定性也很好，每次開關(guān)啟動后連續(xù)動作的次數(shù)也基本相同。 下圖是 PWM 模式的對應(yīng)波形圖，讀者可以對照著比較一下它們的差異。

比較兩幅圖可以發(fā)現(xiàn) PSM 模式下的輸出紋波比 PWM 模式下的輸出紋波還要小，但這是 RT6363 的特性，并非每個(gè) Buck 器件都是如此。

現(xiàn)在開始探討決定紋波大小的因素，首先從規(guī)格書里找到輸出紋波的計(jì)算公式，它位于輸出電容選型說明這一段內(nèi)容里：

輸出電容的選擇取決于你對輸出紋波和負(fù)載瞬變特性的需求，圖中 ΔVOUT計(jì)算公式的第二個(gè)因子由 ESR 和 1/(8*fSW*COUT) 的和構(gòu)成，其中的 ESR 和 COUT都是關(guān)于輸出電容的參數(shù)，ESR 是其串聯(lián)等效電阻，COUT是其電容量，要想 ΔVOUT最小化，只要使 ESR 最小化、COUT最大化即可。以我對常用電容的特性的了解來看，能兼具這兩個(gè)特性的電容就是陶瓷電容，把多顆容量很大的陶瓷電容并聯(lián)起來使用就是最好的做法。

上述因子中的另一個(gè)可變量是 fSW，其大小在 PWM 模式下比較重要，其值越大則紋波越小，因?yàn)殡S著周期的縮短，電感電流在每個(gè)周期里的增減幅度變小了，但 PSM 模式下就沒有多大影響，因?yàn)?RT6363 在此模式下總是以最短導(dǎo)通時(shí)間工作，電感電流通常在每個(gè)周期里都是會回到 0 ，這個(gè)信息在下面對輕載狀態(tài)的工作說明里有涉及：

RT6363 的最短導(dǎo)通時(shí)間參數(shù)為

最大值為 135ns，具體到每顆 IC 就會有小于或等于它的某個(gè)值，反正都是固定的，我們把它定義為TON，結(jié)合電感電流在上橋?qū)ㄆ陂g的增量計(jì)算公式：

最后發(fā)現(xiàn)還能影響 ΔIL大小的就是電感量 L，它越大則電感電流增量越小，對應(yīng)的就是輸出電壓紋波越小。

總結(jié)起來就三點(diǎn)，一是要選用最短導(dǎo)通時(shí)間盡可能短的 Buck 轉(zhuǎn)換器（不是每個(gè) Buck 器件都像 RT6363 這樣設(shè)計(jì)的），二是使用盡可能大的電感，三是使用串聯(lián)等效電阻低、容量大的輸出電容。當(dāng)Buck 器件已經(jīng)選定的時(shí)候，能在設(shè)計(jì)中做調(diào)整的就是電感量和電容量了。需要注意的是電感和電容都屬于 Buck 控制回路中的滯后元件，大電容和大電感的使用會帶來穩(wěn)定性的提高，相應(yīng)的響應(yīng)速度就降低了，補(bǔ)償電路的參數(shù)要進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，這部分內(nèi)容可在 RT6363 規(guī)格書的應(yīng)用說明部分里找到，設(shè)計(jì)時(shí)一定要去認(rèn)真閱讀并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，以便你的設(shè)計(jì)能有最好的調(diào)節(jié)特性。

RT636x 系列器件的特性與 RT6363 幾乎都是一樣的，所以本文所述內(nèi)容也同樣適用于它們。需要參考 RT6363 規(guī)格書的讀者可點(diǎn)擊文末閱讀原文以快速找到它，其他型號就要請用瀏覽器進(jìn)入立錡網(wǎng)站查詢了。

審核編輯：湯梓紅