用TPS5211高頻遲滯控制器設計同步降壓穩壓器

TI公司TPS5210系列控制器所采用的遲滯模式控制已被普遍用于微處理器和DSP或其他高轉換率變換負載的快速瞬態(tài)響應電源中，這是因為遲滯模式控制是一種具有很好動(dòng)態(tài)特性，又非常簡(jiǎn)單的方案。采用遲滯控制器的一個(gè)同步降壓變換器實(shí)例示于圖1。

遲滯控制器是一個(gè)自振蕩電路，靠保持輸出電壓在由基準電壓穩壓器和比較器所設計的遲滯窗口內來(lái)實(shí)現調整輸出電壓。實(shí)際的輸出紋波電壓是由內部延遲和輸出電容器特性所決定的遲滯電壓、過(guò)沖的組合。

這種器件沒(méi)有慢的反饋回路而在瞬間發(fā)生的同一開(kāi)關(guān)周期影響負載電流瞬態(tài)。瞬態(tài)響應時(shí)間只依賴(lài)遲滯比較器和驅動(dòng)電路中的延遲。比較器輸入的高頻噪聲濾波器也增加一些延遲。這些延遲依賴(lài)于所選擇的技術(shù)水平，因此，遲滯控制與其他控制方法相比具有最快的瞬態(tài)響應。遲滯控制器的另一優(yōu)點(diǎn)是它的占空因數從0至1全范圍。它對功率開(kāi)關(guān)導通間隔沒(méi)有任何限制，這與大多數其他控制方法不同。因此，在負載電流瞬態(tài)之后輸出電壓恢復時(shí)間是最短的。遲滯控制的優(yōu)異動(dòng)態(tài)特性使輸出濾波器大小和成本都較低。

這種控制方法的開(kāi)關(guān)頻率低賴(lài)于輸出濾波器特性、輸出和輸入電壓、遲滯窗口和內部延遲。開(kāi)關(guān)頻率簡(jiǎn)化議程式為：

fs≌[VOUT×(VIN-VOUT)×ESR] / (VIN×L×遲滯窗口）

式中ESR是輸出電容器的等效串聯(lián)電阻，L是輸出電感器值。

對于高頻工作（大于400kHz），可降低遲滯窗口，但頻率變化顯得更重要，因為輸出電容器寄生性、延遲和噪聲影響。另一個(gè)問(wèn)題是輸出電容器的類(lèi)型。從上述方程可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)頻率正比于ESR。這意味著(zhù)用一個(gè)非常低值ESR的"理想"電容器（如把很多陶瓷電容器并聯(lián)）成為問(wèn)題，因為工作頻率變得相當低。TI公司的TRS5211遲滯控制器克服了這些問(wèn)題。

TPS5211特性

TPS5211控制器功能框圖與TPS5211相同。所不同的是高頻工作（高達700kHz）所規定的參量和特性。另外需要少量外部元件加到dc-dc變換器上。由TPS5211遲滯控制器組成的同步降壓變換器簡(jiǎn)圖示于圖2.

在dc-dc穩壓器中增加了Radd-Cadd電路。Radd連接在遲滯比較器輸入和功率開(kāi)關(guān)中點(diǎn)之間。Cadd連接在比較器輸入和地之間。Radd-Cadd電路形成通過(guò)遲滯比較器輸入的另一個(gè)斜波信號：來(lái)自Radd-Cadd電路的斜波信號和來(lái)自變換器輸出的信號經(jīng)比較器輸入求和。選擇合適的Radd和Cadd，可使附加斜波信號的幅度大于變換器的輸出紋波。結果，開(kāi)關(guān)頻率比較高，而輸出紋波變得比較小。開(kāi)關(guān)頻率依賴(lài)于Radd-Cadd值而不依賴(lài)于輸出濾波器特性，包括ESR、ESL和輸出電容器C。TPS5211控制器開(kāi)關(guān)頻率簡(jiǎn)化方程式為：

fs=1/Ts

Ts=VIN×Radd×Cadd×遲滯窗口 / VREF×（CIN-VREF+TDELAY×（2+VREF / CIN-VREF+VIN-VREF / VREF）

式中TDELAY為比較器和驅動(dòng)電路延遲。

在同一時(shí)間，來(lái)自變換器輸出的反饋信號控制輸出電壓的dc電平，輸出電壓由下式輸出

VOUT=VREF×[1+R1×Radd / R2×(R1+Radd)]

從上式可見(jiàn)，輸出電壓VOUT依賴(lài)于附加電阻器Radd。為避免這種依賴(lài)性，可增加一個(gè)與Radd。串聯(lián)的dc去耦電容器Cd（見(jiàn)圖4）。

用去耦電容器Cd后，輸出電壓由下式輸出：

VOUT=VREF×[1+R1 / R2]

開(kāi)關(guān)頻率不低賴(lài)于輸出電容器件性，所以在該dc-dc變換器中用高頻、價(jià)廉陶瓷或薄膜電容器可保持同樣優(yōu)異的負載電流瞬態(tài)響應特性。

Radd-Cadd電路增加控制器的前饋性能，這也改善了輸出電壓瞬態(tài)響應特性。

結語(yǔ)

用TPS5211控制器改進(jìn)遲滯控制方法，用增加簡(jiǎn)單的外部電路施加一個(gè)附加斜波信號到遲滯比較器輸入能顯著(zhù)地改變dc-dc穩壓器的性能。其開(kāi)關(guān)頻率不低賴(lài)于輸出濾波器特性和寄生性，而輸出紋波低于遲滯窗口。高開(kāi)關(guān)頻率與快速瞬態(tài)響應一起使下一代微處理器和DSP所嚴格要求的輸出濾波成本降低50～60%。