电源提示：如何降低 D-CAP 控制输出电容

在为开关稳压器选择输出电容时，输出纹波或瞬态响应等应用要求通常会决定您需要多少输出电容。这假设您可以调整补偿网络以适应各种输出电容器。对于没有补偿的控制架构（例如 D-CAP™ 控制），您选择的输出电容器也应保证系统稳定性。

这是一个具有以下应用要求的示例：

· V IN = 10V。

· VOUT = 3.3V 。

· Iout = 20A。

· Fsw = 400KHz。

· 输出纹波 = ± 0.5%。

· 输出电流阶跃 = 5A，di/dt 为 10A/µsec。

· 允许的瞬态过冲和下冲 = ± 3%，包括输出纹波。

我选择了一个 D-CAP 稳压器TPS53355和一个 1.0µH 的电感器。该应用需要全陶瓷输出电容器。为了满足 ± 0.5% 的输出纹波要求，我需要 30µF 的输出电容。为了满足 3% 的瞬态响应要求，我需要 146µF 的输出电容，假设交叉频率为开关频率的六分之一。在最大允许纹波注入为 50mV 的情况下，使用TPS53355 数据表中的公式 11，我计算出我需要 240µF 的输出电容来实现稳定性。这意味着我需要一个额外的 94µF 电容来实现稳定性而不是瞬态响应。

在没有额外 94µF 电容的情况下如何实现稳定性？我有一个简单的解决方案。这个想法是为带有电容器的反馈系统创建一个 240 µF 的等效输出电容，以满足瞬态响应要求。为此，我在反馈路径中添加了一个交流衰减器级，如图 1 所示。

图 1：具有交流衰减器级的降压转换器框图

系统交叉频率通常是开关频率的六分之一到四分之一，远高于降压转换器的双极点频率。图 1 所示的交流衰减器设计为在高于双极频率的频率下也有效。随后的讨论只是前频远高于双极频率。

如果交流衰减器的衰减为 K，则图 2 所示系统在高于开关频率四分之一的频率下应具有与图 1 所示系统相似的环路增益。

图 2：具有 K 倍输出电容的等效框图

我是如何插入交流衰减器的？让我们检查一下 D-CAP 稳压器的原始反馈网络，如图 3 所示。

图 3：具有 DCR 注入电路的 D-CAP 稳压器框图

Cp 通常比 Cff 大得多，并且可以认为在高于交叉频率的频率下短路。上拉电容 Cff 和电阻 Rup 形成零。分频器增益在高频时增加到 1，如图 4 所示。为了衰减分频器增益，我在 FB 引脚和 GND 之间添加了一个下拉电容器 Cpp。图 4 显示了 1nF Cpp 对反馈增益的影响。在开关频率的四分之一处，反馈网络增益降低了 5dB。这相当于衰减 1.8。

图 4：从 V OUT到 FB 的传递函数的波特图，有和没有 Cpp

如果使用 160µF 输出电容，则衰减器会产生 288µF 的等效电容以保持稳定性。由于 Rp 和 Cp 同时对输出电容和纹波注入施加衰减，因此原始稳定性标准仍然有效。参考TPS53355 数据表中的公式 7 ，需要一个等效串联电阻、11mΩ ESR 以确保稳定性。

等式 1 

Cp 上的纹波幅度应与上面计算的 ESR 上的纹波幅度相似。因此，我将 Rp 计算为：

等式 2

满载时电感下降至 0.9µH。我为 Rp 选择了 7.87KΩ 的标准电阻值。

为了验证我提出的解决方案，我修改了具有集成 FET DCAP 稳压器的高功率密度降压转换器 TI 参考设计以满足应用要求。以下是关键电路参数：

· L = 1.0µH。

· 总输出电容 = 161µF。

· 对于 DCR 注入电路：

· Rp = 7.87kΩ 和 Cp = 0.01µF。

· 对于电阻分压器网络：

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

图 5 显示了TPS53355的测量波特图。系统相位裕度大于60度，增益裕度大于14dB。

图 5：TPS53355的测量波特图

根据应用要求进行负载阶跃瞬态响应测试。图 6 显示了瞬态响应性能。过冲和下冲低于 ±99mV 要求。

图 6：负载阶跃瞬态响应

输出纹波满足±0.5% V OUT要求。

图 7：TPS53355的输出纹波（V IN = 12.6V，Io = 20A，示波器处于余辉模式）

只需在 FB 引脚和 GND 之间添加一个小电容，就可以大大降低使用全陶瓷输出电容进行 D-CAP™ 控制的输出电容要求。我的解决方案提供了一个稳定的系统，具有令人满意的应用性能。