关于电路板的纹波测试验证

只看该作者 · 2025-2-18 18:18

#申请原创# @21小跑堂

最近使用LM5163的电源芯片，做了一个输入40V，降压输出24V的电路。整个设计过程使用TI的webench进行参数设计，得到电路元器件的参数。

随后做了简单的仿真，确认相关电压满足24V输出的特性

因此就没有对电路中的参数做详细的分析，直接在嘉立创上打板验证。
电路板到样后，进行调试发现在满载@0.5A的情况下，输出电压是24.2V和纹波都正常，但是在轻载0.1A左右的时候，输出电压达到了24.8V，同时纹波也增大了十倍左右。

在进行动态负载测试的时候，负载0.5A到0.1A变化的时候，可以看到，在轻载0.1A左右的时候，输出电压有很明显的锯齿波。
在输出负载电流为0.1A的时候，对输出电压进行AC档测试，测试得到的纹波是760mV

在输出负载电流为0.5A的时候，对输出电压进行AC档测试，测试得到的纹波是72mV

在所有参数都一致的情况下，轻载的纹波变得很差。随后仔细查阅LM5163的规格书，发现芯片在轻载情况下，会进入PSM模式。

PSM是脉冲跳跃模式，当负载电流降低到一定的时候，MOS的开关脉冲宽度降低早一定程度后，达到芯片的最小宽度，就会通过跳过其中部分周期，在部分周期内MOS完全关闭的方式。从而减小MOS开关次数，就可以降低了开关损耗，提高轻载模式下的效率。下图就是工作在PSM模式下的开关波形，在跳周期的阶段，MOS完全关闭的时间内，通过输出电容对负载放电，维持输出电压。

按照PSM模式分析，如果输出电容的容值小，就会造成输出电压的波动比较大。而webench推荐的输出电容容值只有4.7uF，就有可能不能保持输出电压不变。
由于LM5163在TI的官网没有提供spice模式，无法专门仿真的。随后使用LTC3624进行仿真验证，其也具有PSM模式。
当输出电容只有4.7uF的时候，输出电压的纹波是65mV，SW的节点波形是PSM模式的。

当输出电容增大到47uF的时候，输出电压的纹波降低到7.6mV，SW的节点波形依然是PSM模式的。但输出电容容值增大，有足够的放电能力，保证输出电压稳定。

随后让芯片工作在CCM模式，输出电容47uF的时候，电压纹波是4.5mV，进一步降低

根据仿真文件和分析的思路，将LM5163的输出电容容值增加到47uF，依然在轻载0.1A的情况下，纹波在之前的760mV降低到92mV，验证了仿真的思路。

在设计BUCK电路的时候，一般都会根据BUCK最大输出负载电流，进行相关元件参数的选定。轻载模式状况可能就会忽略。上文的LM5163增大输出电容，可以降低输出电压纹波，但也相应的增加了成本，如果在4.7uF@760mV的条件后，后级电路可以接受该纹波，也就不需要增加输出电容。
当然还可以选择PFCM模式的电源芯片，也就是强制PWM模式，电源芯片不会进入脉冲跳跃模式，因此在轻载情况下，具有较好的轻载调整率和较小的输出电压纹波。但轻载效率就不太高。因此需要进行在效率和纹波中间进行平衡选择。

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