高效、低紋波DCS－Control，實(shí)現無(wú)縫PWM/節能轉換

TI 推出了采用DCS-Control™技術(shù)的同步降壓轉換器，它是一款可無(wú)縫轉換至節能模式的直接控制調節拓撲。這種拓撲融合了電壓模式、電流模式以及遲滯控制拓撲的眾多優(yōu)點(diǎn)，并同時(shí)實(shí)現順滑轉入節能模式。本文為您介紹DCS-Control拓撲的工作原理，展示其在節能模式下的低輸出電壓紋波、優(yōu)異的瞬態(tài)響應以及無(wú)縫模式轉換性能。

基本工作原理

DC-Control拓撲基本上是一種遲滯拓撲。但是，它整合了幾種電路，同時(shí)擁有電壓模式和電流模式拓撲的優(yōu)點(diǎn)。圖1顯示了DC-Control拓撲的基本結構圖(取自TI的TPS62130降壓轉換器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū))。1

圖1 DCS-ControlTM拓撲結構圖

DC-Control拓撲的輸入共有兩個(gè)：反饋(FB)引腳和輸出電壓檢測(VOS)引腳。大多數DC/DC轉換器的FB引腳輸入表現均相同。它是誤差放大器或者運算放大器的高阻抗輸入，其目的是把FB引腳的誤差信號輸出至某個(gè)內部基準電壓VREF。與其它DC/DC轉換器中一樣，誤差放大器提供精確的輸出電壓調節。在輸出電壓(FB引腳)和接地之間的分壓器，設置輸出電壓的設定點(diǎn)。就一些器件而言，例如：TI的TPS62131等，通過(guò)一個(gè)VOS引腳分壓器內部連接FB引腳。這樣便可設置輸出電壓，減少2個(gè)外部組件，并同時(shí)降低FB引腳的敏感度。在誤差放大器周?chē)鄳难a償，以確保其穩定性。

在輸出電容，VOS引腳直接連接至轉換器的輸出電壓。與FB引腳一樣，它是控制環(huán)路的高阻抗輸入。與FB引腳不同的是，VOS引腳進(jìn)入某個(gè)專(zhuān)有電路，形成電壓斜升。之后，把該電壓斜升與誤差放大器的誤差信號比較，其同電壓模式和電流模式控制的做法一樣。VOS引腳到比較器的通路，讓DCS-Control拓撲擁有快速的遲滯響應。VOS的輸出電壓變化直接饋給比較器，并立即對器件的運行產(chǎn)生影響。正因如此，VOS引腳對噪聲敏感;因此，輸出電壓從輸出電容器返回至器件VOS引腳的路線(xiàn)應盡可能地短和直。VOS引腳電路周?chē)南鄳a償，目的是確保穩定性。

之后，比較器向控制電路輸出一個(gè)信號，告訴它是否向柵極驅動(dòng)器輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖，以控制高側MOSFET。比較器與計時(shí)器電路協(xié)同工作，同時(shí)提供最迅速的負載瞬態(tài)響應和經(jīng)過(guò)調節的開(kāi)關(guān)頻率。

根據VOUT與VIN的比率，計時(shí)器設置一個(gè)能夠擴展比較器“導通”時(shí)間控制的最小“導通”時(shí)間。器件產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)通常會(huì )使用一個(gè)方程式說(shuō)明計時(shí)器設置的最小“導通”時(shí)間，例如：

在這個(gè)基于TPS62130的舉例中，目標開(kāi)關(guān)時(shí)間為400ns;因此，開(kāi)關(guān)頻率為其倒數，即2.5MHz。由于VOUT/VIN因素，調節后開(kāi)關(guān)頻率維持在輸入和輸出電壓范圍，其根據某個(gè)降壓轉換器的理想占空比調節最小“導通”時(shí)間。因此，“導通”時(shí)間方程式還可寫(xiě)為

，其準確定義了所有降壓轉換器的“導通”時(shí)間。

低側MOSFET控制較為簡(jiǎn)單。在高側MOSFET關(guān)閉以后，低側MOSFET開(kāi)啟，并有效地使電感電流斜降。當電感電流衰減至零，或者比較器讓高側MOSFET再次開(kāi)啟時(shí)，低側MOSFET關(guān)閉。施加相應的死時(shí)間，以避免MOSFET出現擊穿電流。

節能模式

DCS-Control拓撲的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是其節能模式。一般而言，大多數節能模式均在低負載電流時(shí)啟用，其通過(guò)跳過(guò)開(kāi)關(guān)脈沖和降低器件的電流消耗(靜態(tài)電流)來(lái)提高轉換效率。跳過(guò)開(kāi)關(guān)脈沖讓器件工作在非連續導電模式(DCM)下，消除負電感電流(從輸出端流向輸入端)，如若不然，它會(huì )出現在輕負載條件下。這類(lèi)電流只會(huì )破壞前面開(kāi)關(guān)周期的工作，并帶來(lái)更多的損耗，從而降低效率。降低靜態(tài)電流可以提高超輕負載下的效率，《參考文獻2》中對此有詳細的說(shuō)明。

DCS-Control拓撲的節能模式非常簡(jiǎn)單。它的實(shí)現電路與前面所述一樣：從節能模式轉換至PWM模式期間，在兩個(gè)不同控制模式之間沒(méi)有開(kāi)關(guān)操作。其它一些控制拓撲會(huì )在一種節能模式控制方法和另一種PWM模式方法之間進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換。這樣做，在轉換期間可能會(huì )出現電子脈沖干擾和隨機噪聲。本文后面的“無(wú)縫轉換”將詳細說(shuō)明這種現象。

DCS-Control拓撲使用一種簡(jiǎn)單的方法實(shí)現其節能模式：如果比較器不需要開(kāi)關(guān)脈沖，則不產(chǎn)生脈沖。因此，如果電感電流衰減至零時(shí)輸出電壓高出其設置點(diǎn)(由誤差放大器測得)，則器件不輸出一個(gè)新的開(kāi)關(guān)脈沖;反之，降低其靜態(tài)電流并進(jìn)入節能模式。除非誤差放大器告訴比較器，輸出電壓已降至其設置點(diǎn)，現在應該升壓，否則它將一直等待。之后，器件輸出一個(gè)持續最小“導通”時(shí)間的開(kāi)關(guān)脈沖，把輸出電壓升高至足以保持在調節范圍內的程度。節能模式下，這些電路的最小傳播延遲帶來(lái)高效率和良好調節的輸出電壓。

持續最小“導通”時(shí)間的單個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖，把最小能量傳輸至輸出端，從而實(shí)現最小輸出電壓紋波。隨著(zhù)輕負載電流增加，單次脈沖更加靠近，并增加開(kāi)關(guān)頻率至音頻帶之上，其速率高于其它節能拓撲。其它拓撲在節能模式下使用數組或者連續脈沖，導致脈沖期間輸出端的能量更大。由于輸出電壓降回其設置點(diǎn)需要花費更長(cháng)的時(shí)間，因此脈沖的間隔更大，從而使有效頻率在音頻范圍內的時(shí)間更長(cháng)。DCS-Control的單脈沖構架，讓其可以工作在音頻帶以上，并且負載電流小于其它拓撲?！秴⒖嘉墨I3》介紹了一個(gè)節能模式噪聲性能的案例研究。

當負載增長(cháng)到一定程度、單次脈沖之間沒(méi)有時(shí)間間隔時(shí)，在比較器告訴高側MOSFET再次開(kāi)啟以前電感電流不會(huì )返回零。DCM邊界處出現這種負載狀態(tài)，屆時(shí)，轉換器退出節能模式，進(jìn)入PWM模式。

節能模式的輸出電壓紋波

組合使用節能模式(最小“導通”時(shí)間的單次脈沖)和達到零電感電流時(shí)進(jìn)入PWM模式，讓DCS-Control拓撲比其它拓撲更加靈活，從而實(shí)現更加簡(jiǎn)單的配置，最終滿(mǎn)足系統要求。例如，思考一個(gè)12V輸入和3.3V輸出的系統在節能模式下的輸出電壓紋波情況。TI的TPS62130評估模塊(EVM)工作在2.5MHz設置下，用于圖2來(lái)演示如何通過(guò)增加外部電感和輸出電容減少這種紋波。無(wú)負載狀態(tài)用于顯示節能模式下的極端輸出電壓紋波。

圖2 TPS62130的輸出電壓紋波

圖2a顯示了已經(jīng)很低的26mV峰值到峰值輸出電壓紋波，即3.3V輸出電壓的0.8%，其使用默認電路得到。由于在每個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖期間傳輸的能量相同，因此增加輸出電容可以減少輸出電壓紋波。輸出電容更高，固定能量帶來(lái)的電壓紋波也就越少(圖2b)。由于“導通”時(shí)間不變，因此增加電感可以降低開(kāi)關(guān)脈沖內達到的峰值電流。低峰值電流存儲的能量也更少(E= ½ × L × I2)，因此傳輸至輸出的能量也更少，從而再一次降低了電壓紋波(圖2c)。注意，每個(gè)電路的“導通”時(shí)間相同，因為其為器件的內部固定值，無(wú)法通過(guò)外部組件改變。

工程師還可以設置通過(guò)調節電感進(jìn)入節能模式的負載電流，其把邊界更改為DCM。更大的電感帶來(lái)更小的電感電流紋波，其意味著(zhù)，電感電流保持在零以上，導致更低的輸出電流電平。它可以讓節能模式的進(jìn)入點(diǎn)和輸出電壓紋波滿(mǎn)足各種特殊需求，從而讓這種拓撲可以用于各種應用中，包括那些對噪聲高度敏感的應用，例如：醫療或者工業(yè)應用中的低功耗無(wú)線(xiàn)發(fā)射器和接收器(參見(jiàn)《參考文獻5》)、消費類(lèi)設備的便攜式電源以及固態(tài)硬盤(pán)電源。

瞬態(tài)響應

由于DCS-Control拓撲通過(guò)VOS引腳檢測實(shí)際輸出電壓，因此其非常適合于對負載瞬態(tài)做出響應。該信號直接饋給比較器，并不通過(guò)帶寬限制誤差放大器傳輸，不影響“導通”時(shí)間。因其遲滯特性，DCS-Control拓撲的負載瞬態(tài)響應更迅速，而器件100%占空比又進(jìn)一步增強了它的這種能力。

在這種模式下，只要輸出電壓恢復需要，器件便可以讓高側MOSFET保持開(kāi)啟。換句話(huà)說(shuō)，比較器的“導通”時(shí)間要求得到完全滿(mǎn)足。圖3顯示了TPS62130 EVM通過(guò)其100%占空比對無(wú)負載到1A負載瞬態(tài)做出響應的情況。在瞬態(tài)開(kāi)始和高側MOSFET開(kāi)啟時(shí)之間的300ns時(shí)間延遲意味著(zhù)，瞬態(tài)響應幾乎完全受大信號問(wèn)題(電感)的限制，而非小信號問(wèn)題(控制拓撲)。因此，DCS-Control拓撲并非是器件瞬態(tài)響應能力局限的主要方面;在使用特定輸出濾波器組件時(shí)，它實(shí)現了優(yōu)異的瞬態(tài)響應。

圖3 瞬態(tài)響應期間TPS62130 EVM的100%占空比模式

無(wú)縫轉換

在前面，我們注意到，在DCS-Control拓撲中，僅一個(gè)電路控制PWM和節能模式。它實(shí)現了兩種控制模式之間的迅速且無(wú)縫的轉換。另外，當電路的工作狀態(tài)接近兩種模式之間的邊界時(shí)，它仍然擁有更高的性能。由于不存在模式開(kāi)關(guān)，因此便沒(méi)有輸出脈沖干擾。

圖4把TPS62130的模式轉換性能同使用另一種控制拓撲的器件進(jìn)行了比較。在類(lèi)三角模式下，負載電流(綠色表示的底部線(xiàn)條)范圍為10mA到1A。我們同時(shí)觀(guān)察到了擾動(dòng)或者干擾電感電流和輸出電壓紋波。

圖4 PWM模式到節能模式轉換

對于使用DCS-Control拓撲的TPS62130來(lái)說(shuō)，圖4表明，相比使用另一種控制拓撲的器件，它的輸出電壓和電感電流波形都更加平滑。在所有負載電流下，TPS62130輸出的電壓紋波都更小。更負載時(shí)紋波稍有增加;但是，由于器件進(jìn)入節能模式，這種紋波增加遠低于使用另一種拓撲的器件。最后也是最重要的一點(diǎn)是，隨著(zhù)負載增加輸出電壓下降較明顯(在一些有限工作條件下，例如：負載斜升)，而使用另一種拓撲的器件則退出節能模式，進(jìn)入PWM模式。很明顯，這是負載或者系統不希望出現的情況，而DCS-Control拓撲可以避免這種情況的出現。

結論

DCS-Control拓撲相比其它控制拓撲有了巨大的改進(jìn)，它擁有優(yōu)異的瞬態(tài)響應，并可無(wú)縫地轉換至節能模式。它的單脈沖節能模式具有較低的輸出電壓紋波，并提高了各種終端設備和系統的性能，包括噪聲敏感型應用。