【導(dǎo)讀】現(xiàn)代高性能處理器和SoC芯片集成度的提升，對其供電質(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完整性，負(fù)載點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)計的十分之一。面對這一挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器已無法滿足大電流應(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)出獨特優(yōu)勢。
本期，為大家?guī)淼氖恰妒褂玫诙墳V波器來減少電壓紋波》，將對比三種控制架構(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完整性，負(fù)載點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)計的十分之一。面對這一挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器已無法滿足大電流應(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)出獨特優(yōu)勢。
本文比較了實現(xiàn) 1mV 輸出電壓紋波的三種不同控制架構(gòu)：外部補償電壓模式、恒定導(dǎo)通時間和可選補償電流模式，并提供了使用相同電氣規(guī)格的測試數(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。對于每種設(shè)計，輸入電壓為 12V，輸出電壓為 1V，并且每個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 TI 直流/直流轉(zhuǎn)換器進行比較：15A D-CAP3? 降壓轉(zhuǎn)換器(TPS548A28)、 20A 內(nèi)部補償高級電流模式 (ACM) 降壓轉(zhuǎn)換器 (TPS543B22) 和 15A 電壓模式降壓換器(TPS56121)。我們在轉(zhuǎn)換器支持類似第二級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)計第二級濾波器
即使使用低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 陶瓷輸出電容器，通過降壓轉(zhuǎn)換器的電感器和電容器 (LC) 輸出濾波器來實現(xiàn)低輸出電壓紋波也是不切實際的。要實現(xiàn)低于 5mV 的輸出紋波，設(shè)計人員可能需要使用第二級 LC 濾波器。有關(guān)第二級濾波器設(shè)計或紋波測量技術(shù)的更多信息，請參閱資源部分。可使用方程式 1 并求解 L2 來計算第二級濾波器的電感器值。電感器 L2 是第二級電感器，C1 是降壓轉(zhuǎn)換器的初級輸出電容器，C2 是第二級電容器網(wǎng)絡(luò)。所有三種設(shè)計都使用了相同的第二級濾波器（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)和第二級濾波器
圖 1. 第二級濾波器的電路板面積為 92mm2
選擇第二級電感器值 (L2) 并組裝元件后，下一步是通過增加第二級電感和電容來重新補償直流/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，每個控制架構(gòu)都有自己獨特的技術(shù)，可在添加第二級濾波器后重新補償控制環(huán)路（如需）。我們對每個控制架構(gòu)的輸出電壓紋波、效率損失和穩(wěn)定性進行了評估并匯總出結(jié)果。
電壓模式控制架構(gòu)
通過將輸出電壓和基準(zhǔn)電壓的電壓誤差信號與恒定鋸齒-斜坡波形進行比較，可實現(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)出的時鐘信號啟動。TPS56121 采用外部補償 3 類補償來尋址雙極功率級，從而允許在添加第二級濾波器后對轉(zhuǎn)換器進行重新補償。在添加第二級濾波器后調(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)計無需調(diào)節(jié)環(huán)路補償即可確保穩(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，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓波形沒有不穩(wěn)定的跡象。
圖 2. 具有和不具有額外第二級濾波器的 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 使用一次性計時器生成與輸入電壓和輸出電壓成正比的導(dǎo)通時間脈沖。當(dāng)下降反饋電壓等于基準(zhǔn)電壓時，將生成新的 PWM 導(dǎo)通脈沖。斜坡由輸出電感器仿真。來自內(nèi)部紋波注入電路的信號直接饋入比較器，消除了其失調(diào)電壓，從而減少了對電容器 ESR 輸出電壓紋波的需求。D-CAP3 和其他恒定導(dǎo)通時間轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢之一是無需額外的環(huán)路補償電路。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)路的功能可通過可調(diào)斜坡進行調(diào)整。在沒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)計無需進行調(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，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓波形沒有不穩(wěn)定的跡象。
圖 4. 具有和不具有額外第二級濾波器的 TPS548A28 輸出電壓紋波
圖 5. 使用 D-CAP3 控制的 TPS548A28 的瞬態(tài)響應(yīng)
高級電流模式 (ACM) 控制架構(gòu)
內(nèi)部補償 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)定性之間實現(xiàn)平衡。ACM 是一種較新的控制架構(gòu)，它允許使用單個電阻器（而非電阻器和電容器網(wǎng)絡(luò)）對環(huán)路進行補償。TPS543B22 具有三個可選 PWM 斜坡選項，可在實施第二級濾波器時優(yōu)化控制環(huán)路性能。有趣的是，我們注意到它的評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濾波器元件。在沒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)計無需調(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，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓波形沒有不穩(wěn)定的跡象。
圖 6. 具有和不具有額外第二級濾波器的 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濾波器的情況下測量了每個直流/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。第二級濾波器的功率損耗和效率損失可忽略不計。之所以測量效率和功率損耗差異，是因為每個直流/直流轉(zhuǎn)換器都具有獨特的功率 MOSFET，這會導(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)計人員決定。
設(shè)計人員以前使用額外的低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器對直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進行后置穩(wěn)壓，并實現(xiàn)低輸出電壓紋波。如果設(shè)計人員更喜歡使用 LDO 而不是第二級濾波器，則可以并聯(lián) 4A TPS7A54 來提供高達(dá) 8A 的電流。例如，如果 LDO 的壓降為 175mV，則兩個 LDO 在 8A 電流下的耗散功率為 1.4W，而第二級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，但如果第二級濾波器為 SoC 和 AFE 提供可接受的低輸出電壓紋波，則優(yōu)點是尺寸更小、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
第二級濾波器是一種簡單、小巧、高效且低成本的解決方案，可為高電流負(fù)載設(shè)計提供低輸出電壓紋波。沒有適用于每種設(shè)計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)中實施第二級濾波器。如果您使用網(wǎng)絡(luò)接口卡 SoC 或是使用 AFE 的遠(yuǎn)程無線電單元進行設(shè)計，則第二級濾波器可提供比標(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
本文來源于德州儀器《模擬設(shè)計期刊》。《模擬設(shè)計期刊》由德州儀器工程師和專家精心撰寫并匯編，覆蓋從基礎(chǔ)知識到先進技術(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)計新手和資深用戶提供實用信息和解決方案。
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