高效低纹波-DCS-Control

高效低纹波DCS-Control™提供无缝PWM／节电转换作者：ChrisGlaser德州仪器应用工程师德州仪器(TI)提供采用DCS-Control™技术的同步降压转换器，这是一种通过无缝转换进入节能模式的直接控制调节拓扑。该拓扑不但整合电压模式、电流模式以及滞后控制拓扑的优势，同时还支持快速便捷进入节电模式。本文将介绍DCS-Control拓扑的工作原理，展示其在节电模式下的低输出电压纹波、优异的瞬态响应以及无缝模式转换。基本工作原理从根本上讲，DCS-Control拓扑是一种滞后拓扑。不过它整合有多种电路，可提供电压及电流模式拓扑的优势。图1是从TITPS62130降压转换器产品说明书中截取的、DCS-Control拓扑的基本方框图。1为DCS-Control拓扑提供两组输入：反馈(FB)引脚与输出电压感应(VOS)引脚。FB引脚的输入表现与其在大多数DC/DC转换器中一样。它是误差放大器或运算放大器的高阻抗输入，其目的是将FB引脚的误差信号输入至内部参考电压VREF。与在其它DC/DC转换器中一样，该误差放大器提供精确的输出电压调节。位于输出电压、FB引脚以及接地之间的分压器可对输出电压的设置点进行编程。对于TITPS62131等一些器件而言，FB引脚可使用VOS引脚的分压器进行内部连接。这可设置输出电压，减少两个外部组件，并可降低FB引脚的敏感度。围绕误差放大器加有适当的补偿，可确保其稳定性。VOS引脚在输出电容器位置可直接与转换器的输出电压连接。与FB引脚相似，这也是至控制环路的高阻抗输入。但与FB引脚不同的是，VOS引脚接入的是专有电路，其可创建电压斜坡。该斜坡随即可用于与来自误差放大器的误差信号比较，与在电压或电流模式控制中一样。从VOS引脚到比较器的该路径可为DCS-Control拓扑提供快速滞后响应。VOS输出电压的变化会直接提供给比较器，并立即影响器件工作。为此VOS引脚具有噪声敏感性，所以输出电压从输出电容器返回至器件VOS引脚的路径应该尽量短而直。围绕VOS引脚电路加有适当的补偿，可确保其稳定性。图1：DCS-Control™拓扑的方框图比较器随后输出信号到控制电路，通知是否输出开关脉冲给负责控制高侧MOSFET的栅极驱动器。该比较器能够与定时器电路配合，既可为负载瞬态提供最迅速的响应，也可提供规定的开关频率。该定时器可根据VOUT和VIN的比值，设置可延长比较器导通时间控制的最短接通时间(tON_min)。该定时器设置的最短导通时间在器件产品说明书中通常以下等式表示：在基于TPS63130的本实例中，目标开关周期为400ns。因此开关频率是其倒数，或2.5MHz。开关频率可根据该VOUT/VIN因数在各种输入输出电压范围内调节，其可根据降压转换器的理想占空比调节最短导通时间。因此该接通时间等式还可表示为tON=Dxtperiod，这是对任何降压转换器接通时间的准确定义。对低侧MOSFET的控制很简单。在高侧MOSFET关断后，低侧MOSFET导通并有效缓降电感电流。低侧MOSFET在电感电流降低至0或高侧MOSFET得到比较器通知重新导通时关断。为避免MOSFET之间产生直通电流，可实施适当的停滞时间，避免MOSFET中的贯通电流。节电模式DCS-Control拓扑的一个重要组成部分是其节电模式。一般来说，大多数节电模式会在较低负载电流下激活，通过跳频开关脉冲和降低器件流耗（静态电流）来提高转换效率。跳频开关脉冲会让器件工作在不连续导电模式(DCM)下，这样可消除会出现在轻负载下的逆向电感器电流（电流从输出流向输入）。这样的电流只会破坏此前开关周期的工作，造成更大的损耗，其可降低效率。减少静态电流可改善极轻负载下的效率，详细说明请参阅参考资料2。DCS-Control拓扑中的节电模式非常简单。它实施的电路与前面介绍的相同。从节电模式向PWM模式转换的过程中，两种不同的控制模式之间不存在切换。某些其它控制拓扑需要在节电模式的控制方式和PWM模式的控制方式之间切换。这就有可能在转换过程中出现干扰和随机噪声。关于此类现象更为详细的介绍请参见本文后面的“无缝切换”一节。DCS-Control拓扑以简单明了的方式实施其节电模式：如果比较器不需要开关脉冲，那就不提供。所以如果在电感器电流下降至0时输出电压高于设置点（误差放大器测量得出），器件就不会输出新的开关脉冲。相反它会降低其静态电流，进入节电模式。它会等到误差放大器告知比较器该输出电压已经降到其设置点，已经到了该升高的时候。随后该器件会输出一个持续时长为最小导通时间的开关脉冲，将输出电压升高到刚好维持在稳压范围内。通过这些电路的最小传输延迟可在节电模式下实现高效率和调节良好的输出电压。持续最小导通时间的单个开关脉冲只能将最小可能数量的能量传播给输出端，因此产生的输出电压纹波的数量也最小。随着轻负载电流增大，这种单脉冲的发生频率随之增加，并以较其它节电拓扑更快的速度将开关频率提升到高于音频带。其它拓扑在节电模式下会使用多组或多猝发脉冲，在一个猝发过程中引起传输至输出端的能量高于所需能量。由于输出电压需要花费更多时间才能回降至其设置点，因此猝发之间的间隔将进一步拉大，使有效频率在音频范围内保持更长的时间。DCS-Control的单脉冲架构与其它拓扑相比，允许在较低负载电流下工作在音频带范围以上。关于节电模式下噪声性能的案例研究，请参阅参考资料3。当负载电流增大到单脉冲之间无时间间隔时，在比较器控制告知高侧MOSFET再度导通之前电感器电流不会归零。一旦这种负载条件出现在DCM边界，转换器就会退出节电模式，进入PWM模式。节电模式下的输出电压纹波节电模式下的可预测工作（单脉冲提供最短导通时间）与在达到0电感器电流时进入PWM模式的这种结合，可为DCS-Control拓扑实现比其它拓扑更高的灵活性，从而可实现针对系统需求的更便捷配置。例如，想想12V输入、3.3V输出系统节电模式下的输出电压纹波。图2使用工作在2.5MHz设置下的TITPS62130评估板(EVM)4演示如何通过增大外部电感和输出电容来降低纹波。使用空载状态展示节电模式下最坏情况下的输出电压纹波。图2.TPS62130的输出电压纹波(a)使用默认EVM(b)使用额外22uF输出电容器(c)使用额外22uF输出电容器，与增大到2.2μH的电感器图2a是从默认电路中获得的已经很低的26mV峰至峰输出电压纹波，占3.3V输出电压的0.8%。增大输出电容可降低输出电压纹波，因为在每个开关脉冲期间，传输的能量总数相同。在提供更大输出电容时，这一固定能量会引起电压纹波减小（图2b）。由于导通时间保持不变，因此增大电感可降低开关脉冲过程中所能达到的峰值电流。由于更低的峰值电流所容纳的能量更低(E=1/2xLxI2)，因此传输到输出端的能量更少，从而可再一次引起较低的电压纹波（图2C）。注意，每个电路的导通时间都是相同的，因为它在器件中是固定的，不能通过外部组件更改。此外，工程师还可通过调节电感，改变DCM边界，来设置进入节电模式的负载电流。更大的电感会降低电感器电流纹波，即电感器电流直至较低输出电流水平都会保持在零电流以上。这可让节电模式的进入点和输出电压纹波适应特定需求，允许这种拓扑用于各种应用，其中包括对噪声高度敏感的应用。应用实例有医疗或工业应用中的低功耗无线发送器及接收器（请参阅参考资料5），消费类设备的便携式电源以及固态驱动器电源等。瞬态响应由于DCS-Control拓扑可通过VOS引脚检测实际输出电压，因此它非常适合负载瞬态响应。该信号可直接提供给比较器，在不影响导通时间的前提下无需通过带宽有限的误差放大器。DCS-Control拓扑支持滞后，可对负载瞬态做出最快的响应，该功能还可通过器件100%的占空比模式进一步强化。在这种模式下，器件可使高侧MOSFET长时间处于导通状态，以便恢复输出电压。换句话说，比较器导通时间需求必须完全满足。图3是TPS62130EVM通过其100%占空比模式对从空载到1A负载瞬态的响应。从瞬态开始到高侧MOSFET接通之间的300ns时延说明瞬态响应几乎完全受大信号问题（电感）而非小信号问题（控制拓扑）所制约。因此DCS-Control拓扑不是器件瞬态响应能力的主要制约，相反它可为给定输出滤波器组件实现优异的瞬态响应。图3是TPS62130EVM在瞬态响应过程中的100%占空比模式无缝转换前文中曾经提到，在DCS-Control拓扑中，仅一个电路便可控制PWM与节电两种模式。这可在控制模式之间实现更快速的无缝转换。此外，在电路工作条件接近两种模式之间的边界时，还可实现更优异的性能。因为没有模式切换，所以输出端不存在干扰。图4是TPS62130和使用另一种控制拓扑的器件的模式切换表现比较。负载电流（底部绿线）以三角波的形式在10mA至1A之间变化。观察电感器电流和输出电压纹波，可了解扰动或者干扰情况。图4：从PWM模式转换至节电模式(a)使用支持DCS-Control™拓扑的TPS62130(b)使用采用另一种控制拓扑的器件对于采用DCS-Control拓扑的TPS62130而言，与采用另一种控制拓扑的器件相比，其可提供更流畅的模式输出电压及电感器电流波形（如图4所示）。TPS62130可在各种负载电流下输出较低电压纹波。纹波在较低负载下略有上升，但一旦器件进入节电模式，纹波增长就远小于采用另一种拓扑的器件。最后也是最为重要的，当负载增大，支持其它拓扑的器件在退出节电模式进入PWM模式时，输出电压会显著降低（在某些限定工作条件下，比如在该负载斜增情况下）。很明显，这无论是对负载还是系统都是不合适的，而采用DCS-Control拓扑则可避免这种情况。结论DCS-Control拓扑相对于其它控制拓扑而言是一大进步，因为它可通过无缝转换进入节电模式，能够提供优异的瞬态响应。其单脉冲节电模式不但可提供低输出电压纹波，而且还可改善包含噪声敏感型应用在内的众多最终设备及系统的性能。参考资料1.“采用3x3QFN封装的3-17V3A降压转换器”，TSP62130/1/2/3产品说明书：；2.作者：ChrisGlaser，“IQ：它是什么，不是什么，如何使用”，《模拟应用期刊》（2011年第2季度）：；3.作者：BrianBerner，“使用TPS62125设计最低噪声产品”，应用报告：；4.“采用3x3毫米、16引脚QFN封装的3A同步降压转换器TPS62130的评估板”，德州仪器TSP62130EVM-505：；5.“支持旁路模式的降压转换器充分满足超低功耗无线应用需求”，TPS62732/33/30产品说明书：。