為家庭和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的寬帶調(diào)制解調(diào)器、路由器和網(wǎng)關(guān)配備合適的電源的3個技巧

1.前言

為家庭和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的寬帶調(diào)制解調(diào)器、路由器和網(wǎng)關(guān)配備無線接入點 (AP) 功能正在經(jīng)歷爆炸式增長。圖 1 顯示了這樣的 Wi-Fi® 網(wǎng)絡(luò)。隨著市場的不斷增長，此類設(shè)備中使用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須滿足多項要求。

圖 1：典型的住宅或小型辦公室 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)

2.選擇正確的開關(guān)頻率

第一個要求是至少 1.2MHz 的開關(guān)頻率。圖 2 顯示了無線 AP 的示意圖。為 Wi-Fi 核心芯片供電的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲會影響該 Wi-Fi 調(diào)制解調(diào)器的誤差矢量幅度 (EVM)，從而降低通信質(zhì)量。幸運的是，標(biāo)準(zhǔn) Wi-Fi 芯片組鎖相環(huán) (PLL) 的頻率響應(yīng)可用作截止頻率約為 1MHz 的低通濾波器。

實驗表明，使用高頻 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以最大限度地減少這種 EVM 干擾。大多數(shù)無線 AP 芯片組制造商，如高通和博通，建議最低開關(guān)頻率高于 1.2MHz，并保留一些余量。

圖 2：無線 AP 示意圖

為了滿足最低頻率要求，我們可以使用基于電流模式控制的轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器通常有一個內(nèi)部時鐘來同步其操作。滿足設(shè)計目標(biāo)（例如 1.4MHz，容差為 ±200kHz）并不是很有挑戰(zhàn)性。缺點是轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)性能適中。有時，為了滿足 Wi-Fi 系統(tǒng)的快速負(fù)載瞬態(tài)要求，我們必須使用更大的輸出電容，這會增加系統(tǒng)總成本。

3.加速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

第二個要求是更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。Wi-Fi 模塊中放大器的功耗在數(shù)據(jù)收發(fā)和空閑狀態(tài)下有很大差異，狀態(tài)變化可能非常快。這對電源解決方案的負(fù)載瞬態(tài)性能提出了更高的要求。

我們可以選擇具有恒定導(dǎo)通時間 (COT) 模式的轉(zhuǎn)換器，該模式以其更快的環(huán)路響應(yīng)而聞名。不幸的是，COT 轉(zhuǎn)換器中沒有內(nèi)部時鐘；轉(zhuǎn)換器只是根據(jù)輸入和輸出電壓為高端功率場效應(yīng)晶體管 (FET) 生成適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通時間，以保持偽恒定開關(guān)頻率。COT 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率隨著輸入和輸出電壓的變化而變化很大。設(shè)計具有相對嚴(yán)格頻率容限要求的 COT 轉(zhuǎn)換器非常困難。

4.使用頻率鎖定

我們需要一種高頻、經(jīng)濟高效的解決方案，它具有像 COT 轉(zhuǎn)換器一樣的快速負(fù)載瞬態(tài)性能，但也可以像電流模式轉(zhuǎn)換器一樣保持相對恒定的開關(guān)頻率。

圖 3 說明了一種提議的解決方案，該解決方案采用 D-CAP3? 控制模式并實施專有的鎖頻功能，以實現(xiàn)像電流模式設(shè)備一樣的恒定頻率。

圖 3：基于 D-CAP3 控制模式的轉(zhuǎn)換器的框圖

與傳統(tǒng)的 COT 控制模式相比，我們可以通過該解決方案實現(xiàn)以下幾個好處：

· 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率與參考時鐘頻率進(jìn)行比較?；谠摻Y(jié)果，單觸發(fā)塊產(chǎn)生的導(dǎo)通時間進(jìn)行調(diào)整以將開關(guān)頻率保持在相對較窄的變化范圍內(nèi)。

· 誤差放大器消除了由輸出電壓紋波幅度引起的直流電壓誤差。這種直流誤差通常存在于傳統(tǒng)的 COT 控制模式轉(zhuǎn)換器中。

· 與在 COT 轉(zhuǎn)換器中使用輸出電壓的紋波不同，基于 D-CAP3 控制模式的轉(zhuǎn)換器將生成內(nèi)部紋波信號來模擬電感電流紋波，從而無需在輸出電容器上使用等效串聯(lián)電阻即使沒有輸出電壓紋波，也能實現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。

頻率鎖定功能可以實現(xiàn)相對恒定的開關(guān)頻率。如果內(nèi)部參考時鐘設(shè)置為1.4MHz，在量產(chǎn)時可以輕松保證高于1.2MHz的開關(guān)頻率，滿足第一個要求。對于第二個要求，我們也可以輕松滿足快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，因為這是 DCAP-3 控制模式的固有優(yōu)勢。

5.理論到實踐

我們以 TI 的TPS563249  17V、3A 降壓轉(zhuǎn)換器為例，獲取測量結(jié)果。

圖 4 顯示了與電流模式轉(zhuǎn)換器相比，TPS563249  的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更快。為了進(jìn)行直接比較，電流模式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率設(shè)置為 1.4MHz，TPS563249  也是如此，并且交叉頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的十分之一左右。兩個轉(zhuǎn)換器都使用相同的 1.5μH/22μF 輸出電感電容濾波器。

圖 4：與基于電流模式的轉(zhuǎn)換器相比，TPS563249 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更快

負(fù)載階躍從 1A 到 3A，壓擺率為 2.5A/μS；目標(biāo)輸出電壓為 3.3V。電流模式轉(zhuǎn)換器的峰峰值輸出電壓紋波為標(biāo)稱輸出電壓的 4.3%，而TPS563249 僅為 2.3% 。

圖 5 和圖 6 顯示了TPS563249 的恒定開關(guān)頻率與沒有頻率鎖定功能的通用 COT 轉(zhuǎn)換器相比。

圖 5：頻率變化與不同的 V IN (V OUT = 5V)

圖 6：頻率變化與不同的 V IN (V OUT = 1.05V)

TPS563249 相比于一般COT轉(zhuǎn)換器具有較小的變化范圍。正如我們所看到的，TPS563249 還保持一個嚴(yán)格的頻率范圍：無論輸入和輸出電壓如何變化，標(biāo)稱頻率的變化都在 5% 左右。然而，對于一般的 COT 轉(zhuǎn)換器，在最壞情況下，頻率與標(biāo)稱頻率相差約 35%。

通常，TPS563249 以恒定的 1.4MHz 開關(guān)頻率工作，并在所有條件下消除 Wi-Fi 系統(tǒng)中的噪聲干擾。它還通過實施 D-CAP3 控制模式滿足 Wi-Fi 放大器的快速負(fù)載變化要求。

1.4MHz 的高開關(guān)頻率有助于最大限度地減小系統(tǒng)總尺寸以及物料清單成本。它非常適合對頻率敏感的應(yīng)用，例如寬帶調(diào)制解調(diào)器、路由器和帶有無線 AP 的網(wǎng)關(guān)。