【導(dǎo)讀】現(xiàn)代高性能處理器和SoC芯片集成度的提升，對(duì)其供電質(zhì)量提出了前所未有的嚴(yán)苛要求。為確保高速串行通信接口和精密模擬前端的信號(hào)完整性，負(fù)載點(diǎn)電源需要將輸出電壓紋波控制在2mV以下，這一指標(biāo)僅為常規(guī)設(shè)計(jì)的十分之一。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器已無(wú)法滿足大電流應(yīng)用需求，而采用更高開關(guān)頻率并結(jié)合額外輸出電容的二級(jí)濾波器方案，則能有效突破這一技術(shù)瓶頸。不同的控制架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)超低紋波輸出提供了多樣化的技術(shù)路徑，每種方法都在穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)上展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
本期，為大家?guī)?lái)的是《使用第二級(jí)濾波器來(lái)減少電壓紋波》，將對(duì)比三種控制架構(gòu)在相同輸出電壓紋波下的表現(xiàn)，并提供了使用相同電氣規(guī)格的測(cè)試數(shù)據(jù)以及輸出電壓紋波、解決方案尺寸、負(fù)載瞬態(tài)和效率的比較結(jié)果。
引言
現(xiàn)代高性能處理器和SoC芯片集成度的提升，對(duì)其供電質(zhì)量提出了前所未有的嚴(yán)苛要求。為確保高速串行通信接口和精密模擬前端的信號(hào)完整性，負(fù)載點(diǎn)電源需要將輸出電壓紋波控制在2mV以下，這一指標(biāo)僅為常規(guī)設(shè)計(jì)的十分之一。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器已無(wú)法滿足大電流應(yīng)用需求，而采用更高開關(guān)頻率并結(jié)合額外輸出電容的二級(jí)濾波器方案，則能有效突破這一技術(shù)瓶頸。不同的控制架構(gòu)為實(shí)現(xiàn)超低紋波輸出提供了多樣化的技術(shù)路徑，每種方法都在穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)上展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
本文比較了實(shí)現(xiàn) 1mV 輸出電壓紋波的三種不同控制架構(gòu)：外部補(bǔ)償電壓模式、恒定導(dǎo)通時(shí)間和可選補(bǔ)償電流模式，并提供了使用相同電氣規(guī)格的測(cè)試數(shù)據(jù)以及輸出電壓紋波、解決方案尺寸、負(fù)載瞬態(tài)和效率的比較結(jié)果。
選擇并約束應(yīng)用程序
設(shè)計(jì)并構(gòu)建了三種不同電源，以展示在類似工作條件下每種控制模式的性能。對(duì)于每種設(shè)計(jì)，輸入電壓為 12V，輸出電壓為 1V，并且每個(gè)器件的輸出電流能夠達(dá)到 15A。這些是為高性能 SoC 供電的典型要求，高性能 SoC 集成了敏感的模擬電路，需要低輸出電壓紋波。
為了約束濾波器設(shè)計(jì)和性能預(yù)期，允許的紋波電壓為輸出電壓的 ±0.15% 或 ±1.5mV (3mVpp)。我們采用三個(gè) TI 直流/直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較：15A D-CAP3? 降壓轉(zhuǎn)換器(TPS548A28)、 20A 內(nèi)部補(bǔ)償高級(jí)電流模式 (ACM) 降壓轉(zhuǎn)換器 (TPS543B22) 和 15A 電壓模式降壓換器(TPS56121)。我們?cè)谵D(zhuǎn)換器支持類似第二級(jí)濾波器元件的能力范圍內(nèi)，選擇了盡可能彼此接近的輸出電壓、輸出電流和工作頻率。
設(shè)計(jì)第二級(jí)濾波器
即使使用低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 陶瓷輸出電容器，通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器的電感器和電容器 (LC) 輸出濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)低輸出電壓紋波也是不切實(shí)際的。要實(shí)現(xiàn)低于 5mV 的輸出紋波，設(shè)計(jì)人員可能需要使用第二級(jí) LC 濾波器。有關(guān)第二級(jí)濾波器設(shè)計(jì)或紋波測(cè)量技術(shù)的更多信息，請(qǐng)參閱資源部分。可使用方程式 1 并求解 L2 來(lái)計(jì)算第二級(jí)濾波器的電感器值。電感器 L2 是第二級(jí)電感器，C1 是降壓轉(zhuǎn)換器的初級(jí)輸出電容器，C2 是第二級(jí)電容器網(wǎng)絡(luò)。所有三種設(shè)計(jì)都使用了相同的第二級(jí)濾波器（如表 1 所示），占用了 92mm2 的電路板面積（如圖 1 所示）：
表 1. 轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)和第二級(jí)濾波器
圖 1. 第二級(jí)濾波器的電路板面積為 92mm2
選擇第二級(jí)電感器值 (L2) 并組裝元件后，下一步是通過(guò)增加第二級(jí)電感和電容來(lái)重新補(bǔ)償直流/直流轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路，以確保穩(wěn)定性。必須指出的是，每個(gè)控制架構(gòu)都有自己獨(dú)特的技術(shù)，可在添加第二級(jí)濾波器后重新補(bǔ)償控制環(huán)路（如需）。我們對(duì)每個(gè)控制架構(gòu)的輸出電壓紋波、效率損失和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估并匯總出結(jié)果。
電壓模式控制架構(gòu)
通過(guò)將輸出電壓和基準(zhǔn)電壓的電壓誤差信號(hào)與恒定鋸齒-斜坡波形進(jìn)行比較，可實(shí)現(xiàn)具有電壓模式控制架構(gòu)的脈寬調(diào)制 (PWM)。斜坡由振蕩器發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)啟動(dòng)。TPS56121 采用外部補(bǔ)償 3 類補(bǔ)償來(lái)尋址雙極功率級(jí)，從而允許在添加第二級(jí)濾波器后對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行重新補(bǔ)償。在添加第二級(jí)濾波器后調(diào)整外部電阻器和電容器值可確保穩(wěn)定性。在沒(méi)有額外濾波器的情況下，輸出電壓峰峰值紋波為 4.8mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 1.9mV（如圖 2 所示）。在這種情況下，TPS56121 設(shè)計(jì)無(wú)需調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償即可確保穩(wěn)定性。圖 3 顯示了具有 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實(shí)施第二級(jí)濾波器后的輸出電壓波形沒(méi)有不穩(wěn)定的跡象。
圖 2. 具有和不具有額外第二級(jí)濾波器的 TPS56121 輸出電壓紋波
圖 3. 使用電壓模式控制的 TPS56121 的瞬態(tài)響應(yīng)
D-CAP3 控制架構(gòu)
D-CAP3 使用一次性計(jì)時(shí)器生成與輸入電壓和輸出電壓成正比的導(dǎo)通時(shí)間脈沖。當(dāng)下降反饋電壓等于基準(zhǔn)電壓時(shí)，將生成新的 PWM 導(dǎo)通脈沖。斜坡由輸出電感器仿真。來(lái)自內(nèi)部紋波注入電路的信號(hào)直接饋入比較器，消除了其失調(diào)電壓，從而減少了對(duì)電容器 ESR 輸出電壓紋波的需求。D-CAP3 和其他恒定導(dǎo)通時(shí)間轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)之一是無(wú)需額外的環(huán)路補(bǔ)償電路。但是，如果器件支持此功能，并且在輸出電壓反饋電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)中添加了前饋電容，則控制環(huán)路的功能可通過(guò)可調(diào)斜坡進(jìn)行調(diào)整。在沒(méi)有額外濾波器的情況下，TPS548A28 輸出電壓峰峰值紋波為 7.6mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 2.3mV（如圖 4 所示）。在此情況下，TPS548A28 設(shè)計(jì)無(wú)需進(jìn)行調(diào)整即可確保穩(wěn)定性。圖 5 顯示了與之前的轉(zhuǎn)換器具有相同 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實(shí)施第二級(jí)濾波器后的輸出電壓波形沒(méi)有不穩(wěn)定的跡象。
圖 4. 具有和不具有額外第二級(jí)濾波器的 TPS548A28 輸出電壓紋波
圖 5. 使用 D-CAP3 控制的 TPS548A28 的瞬態(tài)響應(yīng)
高級(jí)電流模式 (ACM) 控制架構(gòu)
內(nèi)部補(bǔ)償 ACM 是基于紋波的峰值電流模式控制方案，它使用內(nèi)部生成的斜坡來(lái)表示電感器電流。這種控制模式可在非線性控制模式（如 D-CAP3）的更快瞬態(tài)響應(yīng)速度與其他外部補(bǔ)償固定頻率控制架構(gòu)（如電壓模式控制）的廣泛電容器穩(wěn)定性之間實(shí)現(xiàn)平衡。ACM 是一種較新的控制架構(gòu)，它允許使用單個(gè)電阻器（而非電阻器和電容器網(wǎng)絡(luò)）對(duì)環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。TPS543B22 具有三個(gè)可選 PWM 斜坡選項(xiàng)，可在實(shí)施第二級(jí)濾波器時(shí)優(yōu)化控制環(huán)路性能。有趣的是，我們注意到它的評(píng)估模塊在電路板上具有電容器和電感器焊盤，可方便地容納第二級(jí)濾波器元件。在沒(méi)有額外濾波器的情況下，TPS543B22 輸出電壓峰峰值紋波為 7.4mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 1.3mV（如圖 6 所示）。TPS543B22 設(shè)計(jì)無(wú)需調(diào)整斜坡即可確保穩(wěn)定性。圖 7 顯示了與之前的轉(zhuǎn)換器具有相同 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實(shí)施第二級(jí)濾波器后的輸出電壓波形沒(méi)有不穩(wěn)定的跡象。
圖 6. 具有和不具有額外第二級(jí)濾波器的 TPS543B22 輸出電壓紋波
圖 7. 使用 ACM 控制的 TPS543B22 的瞬態(tài)響應(yīng)
效率損失
在具有和不具有額外第二級(jí)濾波器的情況下測(cè)量了每個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器的滿載效率以比較功率損耗。表 2 所示為相關(guān)結(jié)果。第二級(jí)濾波器的功率損耗和效率損失可忽略不計(jì)。之所以測(cè)量效率和功率損耗差異，是因?yàn)槊總€(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器都具有獨(dú)特的功率 MOSFET，這會(huì)導(dǎo)致效率結(jié)論不準(zhǔn)確。效率損失和額外所需的 92mm2 布板空間是否值得改善輸出電壓紋波，這由設(shè)計(jì)人員決定。
設(shè)計(jì)人員以前使用額外的低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器對(duì)直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行后置穩(wěn)壓，并實(shí)現(xiàn)低輸出電壓紋波。如果設(shè)計(jì)人員更喜歡使用 LDO 而不是第二級(jí)濾波器，則可以并聯(lián) 4A TPS7A54 來(lái)提供高達(dá) 8A 的電流。例如，如果 LDO 的壓降為 175mV，則兩個(gè) LDO 在 8A 電流下的耗散功率為 1.4W，而第二級(jí)濾波器的耗散功率為 0.02W。LDO 的輸出電壓紋波噪聲較低，為 4μV，但如果第二級(jí)濾波器為 SoC 和 AFE 提供可接受的低輸出電壓紋波，則優(yōu)點(diǎn)是尺寸更小、功率損耗更低且元件成本更低。
表 2. 效率和功率損耗比較
結(jié)語(yǔ)
第二級(jí)濾波器是一種簡(jiǎn)單、小巧、高效且低成本的解決方案，可為高電流負(fù)載設(shè)計(jì)提供低輸出電壓紋波。沒(méi)有適用于每種設(shè)計(jì)情況的完美控制模式，但可以在許多降壓轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)中實(shí)施第二級(jí)濾波器。如果您使用網(wǎng)絡(luò)接口卡 SoC 或是使用 AFE 的遠(yuǎn)程無(wú)線電單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，則第二級(jí)濾波器可提供比標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器低得多的紋波。表 3 總結(jié)了與每個(gè)器件相關(guān)的紋波以及效率和尺寸權(quán)衡。
表 3. 紋波、尺寸和效率權(quán)衡
本文來(lái)源于德州儀器《模擬設(shè)計(jì)期刊》。《模擬設(shè)計(jì)期刊》由德州儀器工程師和專家精心撰寫并匯編，覆蓋從基礎(chǔ)知識(shí)到先進(jìn)技術(shù)、從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器到傳感器應(yīng)用的廣泛主題，為模擬設(shè)計(jì)新手和資深用戶提供實(shí)用信息和解決方案。
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