電源轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高性能電源管理
為工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)/通信及最新的消費(fèi)類應(yīng)用設(shè)計負(fù)載點系統(tǒng)的工程師必須不斷地確保設(shè)計上的許多權(quán)衡;诜至⒔鉀Q方案衡量器件的優(yōu)劣之處并將其與集成型解決方案進(jìn)行比較,成為最近較為重要的權(quán)衡方法之一,因為每種選擇都控制方法
圖1所示為電感電流連續(xù)流動的連續(xù)傳導(dǎo)工作模式。輸出電壓經(jīng)分壓器R1與R2分壓后由反饋引腳FB讀取,并通過低增益跨導(dǎo)(gm)放大器在誤差比較器上與0.8V參考電壓VREF進(jìn)行比較。如果反饋電壓下降且gm放大器輸出低于0.8V,則誤差比較器將觸發(fā)控制邏輯,生成一個導(dǎo)通時間周期。導(dǎo)通時間周期長度將由固定tON估計電路預(yù)先確定:
其中,VOUT為輸出電壓,VIN為功率級輸入電壓,fSW為開關(guān)頻率。
圖1:MIC26XXX系列內(nèi)部模塊圖。
在導(dǎo)通時間周期完成后,內(nèi)部高壓側(cè)驅(qū)動器將關(guān)斷高壓側(cè)MOSFET,而低壓側(cè)驅(qū)動器將導(dǎo)通低壓側(cè)MOSFET。在大多數(shù)情形下,關(guān)斷時間周期長度取決于反饋電壓。當(dāng)反饋電壓降低且gm放大器輸出低于0.8V時,將觸發(fā)導(dǎo)通時間周期,此時關(guān)斷時間周期結(jié)束。如果反饋電壓決定的關(guān)斷時間周期小于最小關(guān)斷時間tOFF(min),則控制邏輯將用tOFF(min)來取代。tOFF(min)是在升壓電容(CBST)中維持足夠的能量來驅(qū)動高壓側(cè)MOSFET時所必需的時間。從tOFF(min)獲得的最大占空比為:
,其中tS=fSW。
在穩(wěn)態(tài)工作時,最好不要使器件的關(guān)斷時間接近tOFF(min)。另外,在像24V到1.0V的高VIN到VOUT應(yīng)用中,最小tON會導(dǎo)致較低的開關(guān)頻率。在負(fù)載瞬變過程之中,由于關(guān)斷時間變化,開關(guān)頻率也將改變。
為更好地解釋控制環(huán)路工作情況,現(xiàn)在將穩(wěn)態(tài)與負(fù)載的瞬態(tài)情況都討論一下。為了便于分析,假設(shè)gm放大器增益為1,這樣,誤差比較器的反向輸入與反饋電壓相同。
圖2為穩(wěn)態(tài)工作時的控制環(huán)路時序。穩(wěn)態(tài)時,gm放大器通過檢測反饋電壓紋波(此紋波與輸出電壓紋波及電感電流紋波成比例),來觸發(fā)導(dǎo)通時間周期。導(dǎo)通時間由tON估計電路預(yù)定,關(guān)斷時間終止由反饋電壓控制。在反饋電壓紋波的底部(VFB下降到低于VREF時產(chǎn)生),關(guān)斷周期結(jié)束,控制邏輯電路觸發(fā)下一個導(dǎo)通周期。
圖2:穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。
圖3a與3b顯示了傳統(tǒng)PWM控制拓?fù)渑c麥瑞半導(dǎo)體Hyper Speed控制拓?fù)涞呢?fù)載瞬變工作情況。在標(biāo)準(zhǔn)的PWM控制方法中,負(fù)載瞬變時,占空比將增加,并且在維持開關(guān)頻率相對不變的同時,輸出需要一個完整的開關(guān)周期來響應(yīng)。使用Hyper Speed控制拓?fù),開關(guān)頻率將在負(fù)載瞬變過程中改變,而一旦輸出穩(wěn)定在新的負(fù)載電流水平,則將恢復(fù)標(biāo)稱固定頻率。由于占空比和開關(guān)頻率發(fā)生變化,因此輸出恢復(fù)時間很快,并且輸出電壓偏差小到可以忽略不計。
圖3:PWM控制拓?fù)渑cHyper Speed控制拓?fù)涞呢?fù)載瞬態(tài)相應(yīng)情況對比。
SuperSwitcher II系列使用輸出電壓紋波來觸發(fā)導(dǎo)通時間周期。這與真正的電流模式PWM控制有極大不同。如果輸出電容的ESR(等效串聯(lián)電阻)足夠大,則輸出電壓紋波將與電感電流紋波成比例,見圖4和圖5。控制環(huán)路具有無需斜坡補(bǔ)償?shù)暮锰帯?/P>
有其需要權(quán)衡之處。此外,工程師還必須考慮將此選擇設(shè)計到應(yīng)用及將產(chǎn)品投放到市場所需的時間。最后,系統(tǒng)可靠性、高密度及單一供應(yīng)商能力也都是在選擇電源轉(zhuǎn)換器時的重要考慮因素
除上述所有考慮之外,負(fù)載點系統(tǒng)工作在低占空比時所需的兩級功率轉(zhuǎn)換將會占用許多昂貴的電路板空間和電能,因為它將產(chǎn)生兩組級間轉(zhuǎn)換損耗。本文將對設(shè)計人員所面臨的權(quán)衡類型以及特定解決方案的優(yōu)點進(jìn)行討論。
節(jié)省昂貴的電路板空間和電能
節(jié)省電路板空間和電能最有效的一種方法就是在降低輸出電容的同時,去除昂貴的外部元器件。麥瑞半導(dǎo)體公司(Micrel)的SuperSwitcher II系列提供了一種可供考慮的解決方案,它在尺寸僅為5mm×6mm的QFN封裝中集成了高密度的MOSFET和高性能同步PWM控制器。已獲專利的超高速控制(Hyper Speed Control)架構(gòu)可在降低輸出電容的同時,獲得超快速的瞬態(tài)響應(yīng),該解決方案也使(高VIN)/(低VOUT)運(yùn)作成為了可能。這一寬范圍輸入的DC-DC轉(zhuǎn)換器系列是許多工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)/通信及高端消費(fèi)類應(yīng)用的極佳選擇。SuperSwitcher II系列可以消除對外部補(bǔ)償元件的需求,使設(shè)計變得更加緊湊、可靠且成本更低。
其他器件使用的是標(biāo)準(zhǔn)電壓模式和電流模式控制拓?fù)洌溔鸢雽?dǎo)體SuperSwitcher II系列采用的卻是已獲專利的Hyper Speed Control控制架構(gòu)。這種控制拓?fù)涫褂帽容^器替代傳統(tǒng)的誤差放大器來開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換器,這可以使外部補(bǔ)償環(huán)路運(yùn)行更順暢,并避免與標(biāo)準(zhǔn)控制方案相關(guān)的一些問題。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器具有一個變量控制環(huán)路,它可以逐周期地根據(jù)輸入/輸出電壓來動態(tài)調(diào)整導(dǎo)通時間。這意味著轉(zhuǎn)換器是以準(zhǔn)固定頻率(pseudo-fixed frequency)模式工作。只要將開關(guān)頻率偏差保持在其標(biāo)稱頻率的±20%以內(nèi),即可獲得極易預(yù)測的EMI特性,這使得濾波和其它抑制技術(shù)實現(xiàn)起來更為輕松,同時,其實現(xiàn)成本也將更為低廉。
SuperSwitcher II系列DC-DC轉(zhuǎn)換器可在任何電容器(Any Capacitor)下穩(wěn)定工作,與陶瓷或電解輸入/輸出電容均能很好搭配,這為繁忙的設(shè)計人員提供了更多的靈活性和更低的BOM成本。
設(shè)計靈活性
MIC2XXXX系列具有從4.5V至75V的寬范圍輸入電壓,并能提供低至0.8V的輸出電壓,該系列產(chǎn)品針對300kHz開關(guān)頻率下5/7/12A輸出負(fù)載電流而設(shè)計。該器件采用散熱增強(qiáng)型封裝,高度僅為0.85mm,可安裝于母板背面,因此是空間受限及高密度應(yīng)用的理想選擇。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器具有可擴(kuò)展的通用外形,因此,設(shè)計人員僅需簡單地 “剪切和粘貼”便可完成設(shè)計,從而可以大幅降低風(fēng)險并加速產(chǎn)品上市時間,這對于迅速發(fā)展的中國市場而言是一項關(guān)鍵的設(shè)計考慮因素。
為滿足穩(wěn)定性要求,反饋電壓紋波必須與電感電流紋波同相。它還必須大到足夠讓gm放大器和誤差比較器檢測到。推薦的反饋電壓紋波為20mV~100mV。如果選用具有低ESR的輸出電容,則反饋電壓紋波可能太小而無法被gm放大器和誤差比較器檢測。此外,如果輸出電容ESR太低,則輸出電壓紋波和反饋電壓紋波并不一定會與電感電流紋波同相。在這些情況下,則必須采用紋波注入的方法來確保正常工作。見圖6和圖7。
圖6:瞬態(tài)響應(yīng)。
圖7:效率與輸出電流關(guān)系圖。
本文小結(jié)
綜上所述,對于負(fù)載點應(yīng)用和需要高性能復(fù)雜電源管理的產(chǎn)品而言,麥瑞半導(dǎo)體的SuperSwitcher II系列強(qiáng)化了自適應(yīng)導(dǎo)通時間(AOT)控制架構(gòu)的優(yōu)點。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器結(jié)合了尺寸小、效率高、瞬態(tài)響應(yīng)超快和功率密度及設(shè)計靈活性高的特色,將幫助電源設(shè)計人員縮短設(shè)計周期以滿足業(yè)界最嚴(yán)苛的上市時間需求。
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