降壓型開關(guān)電源的發(fā)展

電源作為電子產(chǎn)品的動(dòng)力中樞，其續(xù)航能力直接決定著電子產(chǎn)品的使用壽命。隨著集成電路制造工藝的不斷進(jìn)步，數(shù)字電路的電源電壓一直下降，但系統(tǒng)的供電電源還是在較高的電位，因此必須靠降壓型電源來提供較低的供電電源。開關(guān)電源技術(shù)問世之前，線性電源作為各類電子產(chǎn)品的主要電源，能夠?qū)崿F(xiàn)直流高電壓向直流低電壓的單向變換，適用于低壓差的電壓轉(zhuǎn)換和低負(fù)載電流的應(yīng)用。要提高電子產(chǎn)品的性能，節(jié)約能源，關(guān)鍵是要解決電源的性能問題。由于開關(guān)電源具有功耗小、變換效率高等優(yōu)良性能，加上生產(chǎn)成本低，已經(jīng)逐漸取代了線性電源，在電子行業(yè)得以廣泛使用。

開關(guān)電源發(fā)展之初，功率級(jí)多采用分立器件，應(yīng)用簡單的異步整流技術(shù)，如圖(1)所示。

同步整流技術(shù)采用MOSFET代替整流二極管，由于MOSFET的導(dǎo)通電阻很低，整流器件的導(dǎo)通損耗大大降低，提高了轉(zhuǎn)換效率，同步整流技術(shù)尤其適宜應(yīng)用在低電壓、大電流的場(chǎng)合。同步整流BUCK如圖(2)所示。

進(jìn)入90年代中后期，隨著集成電路的發(fā)展，MOS分立元件集成到芯片中，DCDC BUCK整體性能大幅提高，同時(shí)降低了成本，顯示出強(qiáng)大的生命力。對(duì)于電流不是很大的BUCK, 功率級(jí)High Side MOS多采用PMOS，這樣控制電路簡單。而對(duì)于大電流BUCK，則改用經(jīng)濟(jì)的NMOS，NMOS的柵電壓要通過自舉電路抬高，如圖(3)所示。

DCDC按控制環(huán)路可分為電壓模式控制(圖4)和電流模式控制(圖5)。

電壓控制模式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因其只有電壓反饋一個(gè)環(huán)路，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，存在雙極點(diǎn)，補(bǔ)償復(fù)雜。電流模式控制在保留電壓控制模式的基礎(chǔ)上，又增加了一個(gè)電流反饋環(huán)，即存在電壓反饋外環(huán)和電流反饋內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。電流模式控制閉環(huán)響應(yīng)快，單極點(diǎn)系統(tǒng)易于補(bǔ)償。但當(dāng)占空比(D)大于50%時(shí)，易產(chǎn)生次諧波振蕩，各種諧波補(bǔ)償電路應(yīng)運(yùn)而生，彌補(bǔ)了不足，在很長一段時(shí)間，電流模式控制DCDC一直是電源的主流。

受到摩爾定律的指引，半導(dǎo)體制程的線寬不斷縮小，智能手機(jī)、平板電腦和數(shù)碼相機(jī)等市場(chǎng)上的便攜式設(shè)備做得越來越輕薄，功能越來越強(qiáng)大。然而數(shù)碼產(chǎn)品所需電源電壓不斷下降，電流不斷增加，對(duì)電源性能的要求不斷提高，傳統(tǒng)PWM模式DCDC，已不能滿足市場(chǎng)需要。

近些年，COT(Constant-On-Time)控制架構(gòu)得以廣泛應(yīng)用。COT架構(gòu)的DCDC具有幾大優(yōu)勢(shì)：1、控制電路簡單，不需要誤差放大器和電流采樣電阻。2、對(duì)負(fù)載的變化響應(yīng)快速。3、輕載時(shí)仍有較高效率。輸出級(jí)電容的ESR(串聯(lián)等效電阻)自帶電感電流信息，只要其“信息”足夠(所產(chǎn)生紋波可以和電容紋波比擬)就可以作為電流檢測(cè)電阻使用，以實(shí)現(xiàn)只用輸出電壓就可以獲得電流模式控制[1] [2] [3]。在輸出電壓紋波要求不高的應(yīng)用中，可以在電容上疊加一個(gè)電阻去產(chǎn)生這樣的紋波信號(hào)，如圖(6)中的R3。

通常用具有較高ESR的電容(電解電容，固態(tài)電容(OSCON)，高分子有機(jī)半導(dǎo)體固體電容器(POSCAP))來實(shí)現(xiàn)這種紋波。受嚴(yán)格的輸出調(diào)整電壓規(guī)格限制，以及成本和尺寸壓縮的需要，電源設(shè)計(jì)者轉(zhuǎn)向成本更低，尺寸更小，ESR更低的陶瓷電容(ceramic)[1]。使用帶陶瓷電容的COT架構(gòu)，就必須“造出”帶有電感電流信息的幅度足夠大的紋波，圖(7)為紋波產(chǎn)生電路，產(chǎn)生的紋波可由公式(1)計(jì)算得出[1]。

V_(CX(PP))=(I_(L(PP))×L)/(R_X×C_X )

公式(1)

與圖(6)同一款芯片的另一種應(yīng)用，如圖(8)所示：為獲得較小的輸出紋波，不用R3，而用RA, CA產(chǎn)生了帶有足夠電感電流“信息”的紋波，加載在反饋電壓信號(hào)上。

思瑞浦研發(fā)的TPP2020 DCDC BUCK，采用COT技術(shù)，輸入電壓最高可達(dá)20V，輸出電壓5V到1V，輸出電流可達(dá)3A，效率最高可達(dá)93%，其應(yīng)用電路如圖(9)所示。

DCDC BUCK隨著微電子技術(shù)的發(fā)展以及電子產(chǎn)品電源的需要而不斷創(chuàng)新，從異步整流到同步整流，功率器件從片外分立MOS到片內(nèi)集成大功率MOS,從單環(huán)電壓模式到雙環(huán)電流模式，從復(fù)雜環(huán)路和補(bǔ)償電路到簡單的COT架構(gòu)(誤差放大器，補(bǔ)償電路，甚至振蕩器都可以不要)，從PWM到PFM操作……如今COT架構(gòu)更是以其無以倫比的優(yōu)勢(shì)在電源領(lǐng)域得以大力發(fā)展。未來，還會(huì)有新的技術(shù)不斷創(chuàng)造出來、融入進(jìn)來，使我們的DCDC BUCK性能更加卓越…