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高效、低纹波DCS-Control,实现无缝PWM/节能转换  

2015-09-07 13:35:19|  分类: 工程技术收集 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:Chris Glaser,德州仪器 (TI) 应用工程师

TI 推出了采用DCS-Control?技术的同步降压转换器,它是一款可无缝转换至节能模式的直接控制调节拓扑。这种拓扑融合了电压模式、电流模式以及迟滞控制拓扑的众多优点,并同时实现顺滑转入节能模式。本文为您介绍DCS-Control拓扑的工作原理,展示其在节能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性能。

基本工作原理
DC-Control拓扑基本上是一种迟滞拓扑。但是,它整合了几种电路,同时拥有电压模式和电流模式拓扑的优点。图1显示了DC-Control拓扑的基本结构图(取自TI的TPS62130降压转换器产品说明书)。1

图1 DCS-ControlTM拓扑结构图
 
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DC-Control拓扑的输入共有两个:反馈(FB)引脚和输出电压检测(VOS)引脚。大多数DC/DC转换器的FB引脚输入表现均相同。它是误差放大器或者运算放大器的高阻抗输入,其目的是把FB引脚的误差信号输出至某个内部基准电压VREF。与其它DC/DC转换器中一样,误差放大器提供精确的输出电压调节。在输出电压(FB引脚)和接地之间的分压器,设置输出电压的设定点。就一些器件而言,例如:TI的TPS62131等,通过一个VOS引脚分压器内部连接FB引脚。这样便可设置输出电压,减少2个外部组件,并同时降低FB引脚的敏感度。在误差放大器周围包含相应的补偿,以确保其稳定性。

在输出电容,VOS引脚直接连接至转换器的输出电压。与FB引脚一样,它是控制环路的高阻抗输入。与FB引脚不同的是,VOS引脚进入某个专有电路,形成电压斜升。之后,把该电压斜升与误差放大器的误差信号比较,其同电压模式和电流模式控制的做法一样。VOS引脚到比较器的通路,让DCS-Control拓扑拥有快速的迟滞响应。VOS的输出电压变化直接馈给比较器,并立即对器件的运行产生影响。正因如此,VOS引脚对噪声敏感;因此,输出电压从输出电容器返回至器件VOS引脚的路线应尽可能地短和直。VOS引脚电路周围的相应补偿,目的是确保稳定性。

之后,比较器向控制电路输出一个信号,告诉它是否向栅极驱动器输出一个开关脉冲,以控制高侧MOSFET。比较器与计时器电路协同工作,同时提供最迅速的负载瞬态响应和经过调节的开关频率。

根据VOUT与VIN的比率,计时器设置一个能够扩展比较器“导通”时间控制的最小“导通”时间。器件产品说明书通常会使用一个方程式说明计时器设置的最小“导通”时间,例如:
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在这个基于TPS62130的举例中,目标开关时间为400ns;因此,开关频率为其倒数,即2.5MHz。由于VOUT/VIN因素,调节后开关频率维持在输入和输出电压范围,其根据某个降压转换器的理想占空比调节最小“导通”时间。因此,“导通”时间方程式还可写为 ,其准确定义了所有降压转换器的“导通”时间。

低侧MOSFET控制较为简单。在高侧MOSFET关闭以后,低侧MOSFET开启,并有效地使电感电流斜降。当电感电流衰减至零,或者比较器让高侧MOSFET再次开启时,低侧MOSFET关闭。施加相应的死时间,以避免MOSFET出现击穿电流。

节能模式
DCS-Control拓扑的一个关键组成部分是其节能模式。一般而言,大多数节能模式均在低负载电流时启用,其通过跳过开关脉冲和降低器件的电流消耗(静态电流)来提高转换效率。跳过开关脉冲让器件工作在非连续导电模式(DCM)下,消除负电感电流(从输出端流向输入端),如若不然,它会出现在轻负载条件下。这类电流只会破坏前面开关周期的工作,并带来更多的损耗,从而降低效率。降低静态电流可以提高超轻负载下的效率,《参考文献2》中对此有详细的说明。

DCS-Control拓扑的节能模式非常简单。它的实现电路与前面所述一样:从节能模式转换至PWM模式期间,在两个不同控制模式之间没有开关操作。其它一些控制拓扑会在一种节能模式控制方法和另一种PWM模式方法之间进行开关切换。这样做,在转换期间可能会出现电子脉冲干扰和随机噪声。本文后面的“无缝转换”将详细说明这种现象。
DCS-Control拓扑使用一种简单的方法实现其节能模式:如果比较器不需要开关脉冲,则不产生脉冲。因此,如果电感电流衰减至零时输出电压高出其设置点(由误差放大器测得),则器件不输出一个新的开关脉冲;反之,降低其静态电流并进入节能模式。除非误差放大器告诉比较器,输出电压已降至其设置点,现在应该升压,否则它将一直等待。之后,器件输出一个持续最小“导通”时间的开关脉冲,把输出电压升高至足以保持在调节范围内的程度。节能模式下,这些电路的最小传播延迟带来高效率和良好调节的输出电压。

持续最小“导通”时间的单个开关脉冲,把最小能量传输至输出端,从而实现最小输出电压纹波。随着轻负载电流增加,单次脉冲更加靠近,并增加开关频率至音频带之上,其速率高于其它节能拓扑。其它拓扑在节能模式下使用数组或者连续脉冲,导致脉冲期间输出端的能量更大。由于输出电压降回其设置点需要花费更长的时间,因此脉冲的间隔更大,从而使有效频率在音频范围内的时间更长。DCS-Control的单脉冲构架,让其可以工作在音频带以上,并且负载电流小于其它拓扑。《参考文献3》介绍了一个节能模式噪声性能的案例研究。

当负载增长到一定程度、单次脉冲之间没有时间间隔时,在比较器告诉高侧MOSFET再次开启以前电感电流不会返回零。DCM边界处出现这种负载状态,届时,转换器退出节能模式,进入PWM模式。

节能模式的输出电压纹波
组合使用节能模式(最小“导通”时间的单次脉冲)和达到零电感电流时进入PWM模式,让DCS-Control拓扑比其它拓扑更加灵活,从而实现更加简单的配置,最终满足系统要求。例如,思考一个12V输入和3.3V输出的系统在节能模式下的输出电压纹波情况。TI的TPS62130评估模块(EVM)工作在2.5MHz设置下,用于图2来演示如何通过增加外部电感和输出电容减少这种纹波。无负载状态用于显示节能模式下的极端输出电压纹波。

图2 TPS62130的输出电压纹波
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图2a显示了已经很低的26mV峰值到峰值输出电压纹波,即3.3V输出电压的0.8%,其使用默认电路得到。由于在每个开关脉冲期间传输的能量相同,因此增加输出电容可以减少输出电压纹波。输出电容更高,固定能量带来的电压纹波也就越少(图2b)。由于“导通”时间不变,因此增加电感可以降低开关脉冲内达到的峰值电流。低峰值电流存储的能量也更少(E= ? × L × I2),因此传输至输出的能量也更少,从而再一次降低了电压纹波(图2c)。注意,每个电路的“导通”时间相同,因为其为器件的内部固定值,无法通过外部组件改变。

工程师还可以设置通过调节电感进入节能模式的负载电流,其把边界更改为DCM。更大的电感带来更小的电感电流纹波,其意味着,电感电流保持在零以上,导致更低的输出电流电平。它可以让节能模式的进入点和输出电压纹波满足各种特殊需求,从而让这种拓扑可以用于各种应用中,包括那些对噪声高度敏感的应用,例如:医疗或者工业应用中的低功耗无线发射器和接收器(参见《参考文献5》)、消费类设备的便携式电源以及固态硬盘电源。

瞬态响应
由于DCS-Control拓扑通过VOS引脚检测实际输出电压,因此其非常适合于对负载瞬态做出响应。该信号直接馈给比较器,并不通过带宽限制误差放大器传输,不影响“导通”时间。因其迟滞特性,DCS-Control拓扑的负载瞬态响应更迅速,而器件100%占空比又进一步增强了它的这种能力。

在这种模式下,只要输出电压恢复需要,器件便可以让高侧MOSFET保持开启。换句话说,比较器的“导通”时间要求得到完全满足。图3显示了TPS62130 EVM通过其100%占空比对无负载到1A负载瞬态做出响应的情况。在瞬态开始和高侧MOSFET开启时之间的300ns时间延迟意味着,瞬态响应几乎完全受大信号问题(电感)的限制,而非小信号问题(控制拓扑)。因此,DCS-Control拓扑并非是器件瞬态响应能力局限的主要方面;在使用特定输出滤波器组件时,它实现了优异的瞬态响应。

图3 瞬态响应期间TPS62130 EVM的100%占空比模式
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无缝转换
在前面,我们注意到,在DCS-Control拓扑中,仅一个电路控制PWM和节能模式。它实现了两种控制模式之间的迅速且无缝的转换。另外,当电路的工作状态接近两种模式之间的边界时,它仍然拥有更高的性能。由于不存在模式开关,因此便没有输出脉冲干扰。

图4把TPS62130的模式转换性能同使用另一种控制拓扑的器件进行了比较。在类三角模式下,负载电流(绿色表示的底部线条)范围为10mA到1A。我们同时观察到了扰动或者干扰电感电流和输出电压纹波。

图4 PWM模式到节能模式转换
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对于使用DCS-Control拓扑的TPS62130来说,图4表明,相比使用另一种控制拓扑的器件,它的输出电压和电感电流波形都更加平滑。在所有负载电流下,TPS62130输出的电压纹波都更小。更负载时纹波稍有增加;但是,由于器件进入节能模式,这种纹波增加远低于使用另一种拓扑的器件。最后也是最重要的一点是,随着负载增加输出电压下降较明显(在一些有限工作条件下,例如:负载斜升),而使用另一种拓扑的器件则退出节能模式,进入PWM模式。很明显,这是负载或者系统不希望出现的情况,而DCS-Control拓扑可以避免这种情况的出现。

结论
DCS-Control拓扑相比其它控制拓扑有了巨大的改进,它拥有优异的瞬态响应,并可无缝地转换至节能模式。它的单脉冲节能模式具有较低的输出电压纹波,并提高了各种终端设备和系统的性能,包括噪声敏感型应用。

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