引言

恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 控制拓?fù)涞某Ｒ?jiàn)缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率變化和無(wú)法與外部時(shí)鐘同步。德州儀器無(wú)縫過(guò)渡到省電模式的固定頻率直接控制（固定頻率 DCS-Control）拓?fù)?strong>建立在可提供快速瞬態(tài)響應(yīng)的流行 COT DCS-Control 拓?fù)浠A(chǔ)之上，并增加了一個(gè)振蕩器，以實(shí)現(xiàn)固定頻率操作和可選的時(shí)鐘同步。這種組合支持既需要快速瞬態(tài)響應(yīng)，又具有特定噪聲或頻率要求的應(yīng)用。

差分遙感、外部控制環(huán)補(bǔ)償和可堆疊性等其他特性支持噪聲敏感型應(yīng)用中大電流處理器對(duì)瞬態(tài)的苛刻要求，這些應(yīng)用包括汽車信息娛樂(lè)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、通信設(shè)備光學(xué)模塊、工業(yè)測(cè)試和測(cè)量、醫(yī)療以及航空航天和國(guó)防。本文概述了固定頻率 DCS-Control 拓?fù)?，討論了其出色的瞬態(tài)響應(yīng)、恒定和可同步的開(kāi)關(guān)頻率、低紋波省電模式以及可實(shí)現(xiàn)更大電流的可堆疊性。

DCS-Control 拓?fù)涓庞[

圖 1 顯示了 DCS-Control 拓?fù)涞幕痉娇驁D。輸出電壓檢測(cè) (VOS) 引腳和反饋 (FB) 引腳為控制環(huán)路提供輸入，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。VOS 引腳通過(guò)將輸出電壓直接饋入斜坡，然后饋入比較器，使其立即影響工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)涞目焖偎矐B(tài)響應(yīng)。FB 引腳是一條帶寬較低的路徑，可提供高度精確的直流設(shè)定點(diǎn)調(diào)節(jié)。在 DCS-Control 中時(shí)，VOS 引腳的交流路徑和 FB 引腳的直流路徑相結(jié)合，可提供精確的輸出電壓，并能夠快速響應(yīng)負(fù)載瞬態(tài)。

圖 1: DCS-Control 拓?fù)涞姆娇驁D

DCS-Control 等 COT 拓?fù)渫ㄟ^(guò)計(jì)時(shí)器設(shè)置導(dǎo)通時(shí)間。通過(guò)根據(jù)輸入和輸出電壓調(diào)整此導(dǎo)通時(shí)間，計(jì)時(shí)器可在脈寬調(diào)制 (PWM) 模式下使大多數(shù)占空比實(shí)現(xiàn)合理的恒定頻率運(yùn)行。方程式 1 顯示了一個(gè)示例，其中 416ns 是 2.4MHz 開(kāi)關(guān)頻率的周期：

但是，對(duì)于需要在特定頻段內(nèi)外運(yùn)行的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率不夠精確。這些應(yīng)用通常需要使用振蕩器設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率，例如采用電壓或電流模式控制時(shí)，某些情況下還需要能夠與系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)同步。

固定頻率 DCS-Control 拓?fù)涓庞[

圖 2 顯示了在 15A TPS62873 降壓轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)的固定頻率 DCS-Control 拓?fù)涞幕究驁D。增加振蕩器后，就能以與電壓或電流模式控制相同的方式直接設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率 (fSW)。將振蕩器輸入加入控制環(huán)路還能使開(kāi)關(guān)頻率與應(yīng)用的時(shí)鐘信號(hào)同步。

圖 2: TPS62873 固定頻率 DCS-Control 拓?fù)淇驁D，包括振蕩器、差分遙感、跨導(dǎo)放大器和遲滯比較器

固定頻率 DCS-Control 采用差分遙感技術(shù)，通常用于較高電流的器件。該器件調(diào)節(jié) VOSNS 引腳和 GOSNS 引腳之間的電壓，這兩個(gè)引腳穿過(guò)印刷電路板 (PCB)，直接檢測(cè)負(fù)載上的輸出電壓。在負(fù)載處檢測(cè)不僅可以克服和補(bǔ)償 PCB 平面和布線上的直流壓降，還可以克服和補(bǔ)償器件與負(fù)載之間的電感產(chǎn)生的延遲。這兩個(gè)特性對(duì)于在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)和負(fù)載瞬態(tài)期間保持非常嚴(yán)格的調(diào)節(jié)非常重要。

差分遙感信號(hào)被饋入跨導(dǎo)放大器 (gm)，該放大器將其差值與輸出電壓設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較（為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖 2 將該設(shè)定點(diǎn)顯示為與 GOSNS 信號(hào)串聯(lián)的電壓源）。COMP 引腳提供該放大器的輸出，該輸出通過(guò)一個(gè) II 類（一個(gè)極點(diǎn)，一個(gè)零點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò)接地進(jìn)行補(bǔ)償。

通過(guò)這種外部補(bǔ)償，您可以優(yōu)化控制環(huán)路，以滿足任何系統(tǒng)需求——從輸出電容大、負(fù)載瞬態(tài)強(qiáng)的系統(tǒng)，一直到輸出電容小、體積小、負(fù)載瞬態(tài)小或無(wú)負(fù)載瞬態(tài)的系統(tǒng)。與 DCS-Control 不同，快速反饋路徑會(huì)經(jīng)過(guò)該放大器，而不是直接進(jìn)入比較器，在比較器中選擇補(bǔ)償元件可以增加（或減少）增益。如果需要更強(qiáng)的瞬態(tài)響應(yīng)，則需要提高增益并增加輸出電容。如果應(yīng)用中不存在較強(qiáng)的瞬態(tài)響應(yīng)，您可以降低增益并使用很小的輸出電容，以實(shí)現(xiàn)盡可能小的尺寸。

這種根據(jù)應(yīng)用需求調(diào)整瞬態(tài)響應(yīng)的能力可在更惡劣的瞬態(tài)條件下實(shí)現(xiàn)比以前的 DCS-Control 拓?fù)涓鼑?yán)格的調(diào)節(jié)，并滿足要求苛刻的處理器內(nèi)核的要求，例如 德州儀器的 Jacinto J7 和 MobileEye 的 EyeQ6。圖 3 顯示了三個(gè) TPS62876-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器的堆疊，可提供 46A 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)將輸出電壓保持在 0.875V 設(shè)定點(diǎn)的 ±2% 范圍內(nèi)。

圖 3: 固定頻率 DCS-Control 的瞬態(tài)響應(yīng)可調(diào)整至最嚴(yán)重的負(fù)載瞬態(tài)，從而提供出色的調(diào)節(jié)能力

遲滯比較器會(huì)將 COMP 引腳輸出與由 τaux 元件產(chǎn)生的電感器電流副本進(jìn)行比較，并增加斜率補(bǔ)償以防止次諧波振蕩。比較器的輸出與時(shí)鐘一起驅(qū)動(dòng)設(shè)置-復(fù)位 (SR) 鎖存電路，從而控制柵極驅(qū)動(dòng)器和器件的運(yùn)行。振蕩器可控制開(kāi)關(guān)，使其完全按照開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行。

設(shè)置-復(fù)位鎖存器是控制模塊詳細(xì)操作的簡(jiǎn)化表示，實(shí)施該鎖存器是為了保持 DCS-Control 的快速、遲滯特性，從而對(duì)負(fù)載瞬態(tài)做出即時(shí)響應(yīng)。例如，在負(fù)載突降瞬態(tài)（輸出電壓上升）期間，遲滯比較器的輸出優(yōu)先于時(shí)鐘信號(hào)。轉(zhuǎn)換器會(huì)根據(jù)需要延長(zhǎng)高側(cè) MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間，以盡可能小的過(guò)沖使輸出電壓降下來(lái)。與教科書中的峰值電流模式控制相比，這種行為在本質(zhì)上有所改進(jìn)，因?yàn)榻炭茣械姆逯惦娏髂Ｊ娇刂圃诿總€(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)切換，即使輸出電壓過(guò)高，也會(huì)繼續(xù)向其增加能量。通過(guò)減少輸出電壓過(guò)沖，轉(zhuǎn)換器可顯著降低輸出電容，這會(huì)對(duì)電源的成本和尺寸產(chǎn)生重要影響。

開(kāi)關(guān)頻率變化

除了保持快速瞬態(tài)響應(yīng)（可通過(guò) COMP 引腳上的外部補(bǔ)償進(jìn)一步改善和調(diào)整）外，固定頻率 DCS-Control 還可提供具有嚴(yán)格容差規(guī)范的固定開(kāi)關(guān)頻率。由于開(kāi)關(guān)頻率是通過(guò)振蕩器直接設(shè)置，而不是通過(guò)導(dǎo)通計(jì)時(shí)器間接控制，因此器件專用數(shù)據(jù)表中對(duì)頻率容差進(jìn)行了規(guī)定。表 1 和表 2 將使用固定頻率 DCS-Control 拓?fù)涞?TPS62876-Q1 的開(kāi)關(guān)頻率規(guī)格與 DCS-Control TPS62869 降壓轉(zhuǎn)換器的典型頻率規(guī)格進(jìn)行了比較。

表 1: 使用固定頻率 DCS-Control 拓?fù)涞?TPS62876-Q1 規(guī)定，在整個(gè)溫度和輸入電壓范圍內(nèi)，其四個(gè)開(kāi)關(guān)頻率選項(xiàng)的容差為±10%

表 2: 使用 DCS-Control 的 TPS62869 只規(guī)定了典型開(kāi)關(guān)頻率

圖 4 和圖 5 比較了應(yīng)用中開(kāi)關(guān)頻率的實(shí)際變化與負(fù)載電流間的關(guān)系。這兩款器件都支持省電模式，在負(fù)載電流較低時(shí)（兩幅圖的左側(cè)）頻率降低。在 PWM 模式下運(yùn)行（電流較大）時(shí)，固定頻率 DCS-Control 的開(kāi)關(guān)頻率得到精確控制，而 DCS-Control 的開(kāi)關(guān)頻率則會(huì)隨著負(fù)載的增加而略有提高。在強(qiáng)制 PWM 模式下（未顯示），固定頻率 DCS-Control 可在空載時(shí)保持恒定頻率。

圖 4: 采用 DCS-Control 的 TPS62869 的開(kāi)關(guān)頻率變化

圖 5: 采用固定頻率 DCS-Control 的 TPSM8287A12 電源模塊的開(kāi)關(guān)頻率變化

除省電模式外，還有兩種情況開(kāi)關(guān)頻率也會(huì)偏離振蕩器設(shè)定的頻率：強(qiáng)瞬態(tài)負(fù)載期間和達(dá)到最短導(dǎo)通時(shí)間時(shí)。在施加大負(fù)載時(shí)，高側(cè) MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間可能長(zhǎng)于整個(gè)開(kāi)關(guān)周期；在移除大負(fù)載時(shí)，高側(cè) MOSFET 的關(guān)斷時(shí)間可能長(zhǎng)于整個(gè)開(kāi)關(guān)周期。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致由于導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而缺失一個(gè)或多個(gè)脈沖。

如果達(dá)到高側(cè) MOSFET 的最短導(dǎo)通時(shí)間，固定頻率 DCS-Control 和 DCS-Control 都會(huì)降低開(kāi)關(guān)頻率，以滿足最短導(dǎo)通時(shí)間并維持輸出電壓調(diào)節(jié)。這些器件的性能相比某些電流模式器件有所改進(jìn)，因?yàn)殡娏髂Ｊ狡骷?huì)保持頻率不變，并升高輸出電壓，以滿足所需的最短導(dǎo)通時(shí)間。雖然固定頻率 DCS-Control 和 DCS-Control 都以相同的方式降低開(kāi)關(guān)頻率，但固定頻率 DCS-Control 達(dá)到最短導(dǎo)通時(shí)間并降低頻率的工作條件較少，因?yàn)槠渥疃虒?dǎo)通時(shí)間更短。例如，TPS62876-Q1 規(guī)定其在 5V 輸入電壓和工作溫度范圍內(nèi)的最短導(dǎo)通時(shí)間的最大值為 44ns。如此低的最短導(dǎo)通時(shí)間值使得汽車、航空航天和國(guó)防等領(lǐng)域的低輸出電壓應(yīng)用能夠在整個(gè)系統(tǒng)有時(shí)需要的較高頻率區(qū)域工作。

低紋波省電模式

雖然大多數(shù)應(yīng)用都在強(qiáng)制 PWM 模式下運(yùn)行固定頻率 DCS-Control 器件，以便在輕負(fù)載時(shí)獲得更低的輸出電壓紋波和更好的瞬態(tài)響應(yīng)，但該拓?fù)湟仓С质‰娔Ｊ?，以提高輕負(fù)載時(shí)的效率。為了保持目標(biāo)開(kāi)關(guān)頻率，并在較低負(fù)載電流下提供較低紋波，固定頻率 DCS-Control 在省電模式下縮短了導(dǎo)通時(shí)間，而 DCS-Control 則保持導(dǎo)通時(shí)間不變。當(dāng)電感器電流變得不連續(xù)時(shí)，這兩種拓?fù)涠紩?huì)進(jìn)入省電模式，從而產(chǎn)生比 PWM 模式稍高的紋波。

固定頻率 DCS-Control 的省電模式不是在導(dǎo)通時(shí)間不變的情況下降低頻率，而是在保持頻率不變的情況下縮短導(dǎo)通時(shí)間。與 DCS-Control 相比，縮短導(dǎo)通時(shí)間可減少輸出能量，從而降低紋波電壓。一旦導(dǎo)通時(shí)間縮短到最短，跳躍脈沖將進(jìn)一步降低最輕負(fù)載的輸出功率。跳躍脈沖也會(huì)降低頻率。

圖 4 和圖 5 顯示了省電模式下頻率降低的差異。固定頻率 DCS-Control 在負(fù)載低于大約 60mA 時(shí)降低頻率，而 DCS-Control 器件在大約 500mA 時(shí)開(kāi)始降低頻率。雖然不同器件和工作條件的這些電流值不盡相同，但固定頻率 DCS-Control 器件在負(fù)載電流較低時(shí)仍能保持開(kāi)關(guān)頻率，從而降低紋波。

通過(guò)堆疊（并聯(lián)）獲得更大（或更小）的負(fù)載電流

一方面，每一代處理器內(nèi)核都需要更高的電流。另一方面，某些應(yīng)用可能不會(huì)使用特定處理器的全部功能，或者可能使用同一處理器系列中相對(duì)低端的處理器，從而降低電流要求。無(wú)論是要提高還是降低電源的電流能力，都需要采用可堆疊（可并聯(lián)）解決方案，這樣就可以根據(jù)電流要求的變化來(lái)添加或移除額外的電源相位。

固定頻率 DCS-Control 器件支持堆疊。雖然每個(gè)器件系列的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)略有不同，但其特性都包括電流共享、相位交錯(cuò)和接口簡(jiǎn)化。

電流共享通過(guò) COMP 引腳實(shí)現(xiàn)。由于 COMP 引腳本質(zhì)上是小信號(hào)工作點(diǎn)，因此通過(guò)在所有堆疊器件之間共享該引腳的信號(hào)，固定頻率 DCS-Control 通常能夠?qū)崿F(xiàn)高于 10% 的電流共享精度。

相位交錯(cuò)由專用 SYNC_OUT 引腳實(shí)現(xiàn)，該引腳連接到堆棧中下一個(gè)器件的 MODE/SYNC 輸入引腳。SYNC_OUT 會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相移，以消除紋波。通過(guò)這種簡(jiǎn)單的菊花鏈，堆棧中的所有器件都能以相同的頻率運(yùn)行，而且紋波比單相設(shè)計(jì)更低。您可以堆疊大量轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)非常好的相位平衡，而無(wú)需指定堆棧中的器件數(shù)量。

通過(guò) I2C 與堆棧連接時(shí)，通信只發(fā)生在主要器件上，而不是堆棧中的每個(gè)器件上，以便調(diào)整輸出電壓、更改工作模式或讀回故障寄存器。與單個(gè)器件連接可減少讀寫次數(shù)和需要布線的 PCB 信號(hào)數(shù)量，從而大大簡(jiǎn)化通信開(kāi)銷和 PCB 布線。

結(jié)語(yǔ)

憑借快速的瞬態(tài)響應(yīng)和可堆疊性，固定頻率 DCS-Control 可滿足新款處理器對(duì)負(fù)載瞬態(tài)和輸出電流的苛刻要求，而其固定頻率操作和同步功能使其非常適合噪聲敏感型應(yīng)用。汽車 ADAS 和信息娛樂(lè)系統(tǒng)、光學(xué)模塊、工業(yè)測(cè)試和測(cè)量、醫(yī)療以及航空航天和國(guó)防應(yīng)用都能從中受益?？烧{(diào)外部控制環(huán)路補(bǔ)償以極小的輸出電容支持快速瞬態(tài)響應(yīng)，從而降低電源系統(tǒng)的大小和成本。

審核編輯：劉清