用于固定開(kāi)啟時(shí)間穩壓器的低ESR穩定技術(shù)

圖6：在距離主輸出電容約1英寸的地方增加一個(gè)10uF、35V、125mΩ ESR的鉭電容后，紋波下降到了約35mV峰峰值

然而，在靠近輸出電容很近的地方增加較大容值的陶瓷電容就很可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。圖7說(shuō)明了將一個(gè)2.2uF的陶瓷電容緊靠輸出電容連接時(shí)發(fā)生的情況。

圖7：將一個(gè)2.2uF的陶瓷電容緊靠輸出電容連接時(shí)發(fā)生的情況

開(kāi)關(guān)脈沖又開(kāi)始成串地集中出現。問(wèn)題是由與主輸出電容的ESR并行放置的附加濾波電容引起的。如果這個(gè)附加電容和輸出電容的ESR的轉角頻率接近穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率，有效ESR就開(kāi)始減少，控制電路“看到”的紋波開(kāi)始衰減。然而，如果附加電容與主輸出電容的距離至少有幾英寸時(shí)，就會(huì )有足夠的引線(xiàn)電感有效地將主輸出電容和附加電容隔離開(kāi)來(lái)，電路也就能正常工作。從紋波波形可以看出，紋波與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形之間有明顯的相位偏移。這就意味著(zhù)負載在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)呈現很大的容性，而這是不希望看到的結果。

對電路進(jìn)行改進(jìn)

也許最佳方案是由人工產(chǎn)生需要的紋波信息并反饋給控制器，讓控制器以為是真正想要的東西。這樣能把輸出紋波做得任意小，同時(shí)仍能保證電路正常工作。見(jiàn)圖8。

圖8：R4、C7和C8網(wǎng)絡(luò )組成三角波發(fā)生器，向FB引腳提供所需的信息

R4、C7和C8網(wǎng)絡(luò )組成三角波發(fā)生器，向FB引腳提供所需的信息。電阻R4和電容C7對電感上的電壓進(jìn)行積分，產(chǎn)生的信號再通過(guò)C8交流耦合到反饋引腳。正常情況下，電感對其上面的電壓進(jìn)行積分，并產(chǎn)生三角電流波形，流經(jīng)輸出電容的ESR后產(chǎn)生用于反饋的三角電壓波。這里的RC電路做的事也非常相似。電容C7對經(jīng)過(guò)R4的電流(正比于加在R4電阻上的電壓)進(jìn)行積分。該電壓與電感兩端的電壓是相同的。就反饋電路而言，兩者實(shí)質(zhì)上指的是同一件事。來(lái)自前面電路的ESR電阻已經(jīng)被完全取消，電路中唯一的ESR只是22μF陶瓷電容的ESR，因此總的ESR大約在10mΩ數量級。

作為這種實(shí)現的結果，Vout端的紋波電壓如圖9所示。

圖9：Vout端的紋波電壓

紋波現在已經(jīng)到了15mV峰峰值數量級。同時(shí)觀(guān)察到測得的尖峰電平與以前相比也有所降低。這只是因為已經(jīng)消除了開(kāi)關(guān)節點(diǎn)測量。與帶有噪聲的信號源連接的另外一個(gè)示波器探頭會(huì )幅射一定的能量，這一能量會(huì )被紋波測量探頭采集。因此在做非常精確的紋波測量時(shí)最好使用單個(gè)探頭。

在15V到50V輸入范圍內的線(xiàn)性調整度約為20mV。這個(gè)設計完全不受額外的大容量輸出電容的影響。它要求零ESR，可以一直保持工作良好。如果環(huán)境有噪聲或布線(xiàn)未經(jīng)優(yōu)化，只需簡(jiǎn)單地減小積分器的時(shí)間常數并產(chǎn)生稍多一點(diǎn)信號就行。

這種技術(shù)的設計過(guò)程相當簡(jiǎn)單。在理想開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)的積分電容阻抗應小于反饋分壓電阻。由于在本例中有效分壓電阻稍低于1,000Ω(1,000Ω與3,000Ω并聯(lián))，C7在500kHz頻率點(diǎn)的阻抗應選在100Ω左右，此時(shí)可以計算得到容值約為3300pF。由于Vin-Vout與產(chǎn)生的紋波電壓相比非常大，因此可以把R4當作是一個(gè)理想的電流源。電流值等于(Vin-Vout)/R4。目標紋波電壓可以較隨意地選為50mV峰峰值。充電電容遵循I/C=dV/dt。當輸入為30V時(shí)開(kāi)啟時(shí)間約為650ns。dV選為50mV，C為3,300pF。根據公式可以算出I約為250uA。根據R=(30V-10V)/250uA，R選為75kΩ。交流耦合電容值比積分電容大3到4倍，可以選為0.01uF。這些值都不需要非常嚴格。

需要注意的是，當負載足夠輕以至于強迫電路進(jìn)入不連續的傳導模式工作(DCM)時(shí)，紋波會(huì )有所增加(如圖10所示)。

圖10：當負載足夠輕以至于強迫電路進(jìn)入不連續的傳導模式工作(DCM)時(shí)，紋波會(huì )有所增加

在這種情況下，40mA輸出時(shí)的紋波峰峰值接近1A輸出時(shí)峰峰值的兩倍，當負載為零時(shí)將增加到約25mV峰峰值。上面的軌跡是DCM下的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。相對頻率較高的振鈴是電感與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上寄生電容諧振的結果。這對任何處于DCM狀態(tài)的穩壓器來(lái)說(shuō)都是正常并可以預料到的。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電容由二極管電容、高側開(kāi)關(guān)輸出電容和與任何與PCB布線(xiàn)有關(guān)的雜散電容等組成。這種振鈴不需要進(jìn)行任何處理，它不會(huì )引起任何問(wèn)題。

本文小結

綜上所述，基于固定開(kāi)啟時(shí)間的穩壓器設計可以提供較低的輸出紋波，同時(shí)仍保持原始設計的很多簡(jiǎn)潔性。對輸出電容ESR沒(méi)有要求的COT穩壓器非常實(shí)用，生成的設計可以完全不用考慮與大電容負載有關(guān)的穩定性問(wèn)題，因此無(wú)需過(guò)多考慮反饋環(huán)路的穩定性問(wèn)題即能獲得與復雜得多的時(shí)鐘控制PWM系統相同的性能。