電源轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高性能電源管理

為工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)/通信及最新的消費類應(yīng)用設(shè)計負載點系統(tǒng)的工程師必須不斷地確保設(shè)計上的許多權(quán)衡。基于分立解決方案衡量器件的優(yōu)劣之處并將其與集成型解決方案進行比較，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)/通信及高端消費類應(yīng)用的極佳選擇。SuperSwitcher II系列可以消除對外部補償元件的需求，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撲，而麥瑞半導(dǎo)體SuperSwitcher II系列采用的卻是已獲專利的Hyper Speed Control控制架構(gòu)。這種控制拓撲使用比較器替代傳統(tǒng)的誤差放大器來開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換器，這可以使外部補償環(huán)路運行更順暢，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輸出負載電流而設(shè)計。該器件采用散熱增強型封裝，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。

表1：MIC2XXXX器件規(guī)格一覽表。

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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控制拓撲與麥瑞半導(dǎo)體Hyper Speed控制拓撲的負載瞬變工作情況。在標(biāo)準(zhǔn)的PWM控制方法中，負載瞬變時，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控制拓撲，開關(guān)頻率將在負載瞬變過程中改變，而一旦輸出穩(wěn)定在新的負載電流水平，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。

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圖3：PWM控制拓撲與Hyper Speed控制拓撲的負載瞬態(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?？刂骗h(huán)路具有無需斜坡補償?shù)暮锰帯?/p>

圖4：開關(guān)頻率。

 
圖5：開關(guān)頻率。

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)界最嚴苛的上市時間需求。