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        2. 同步降壓DC/DC電源IC集成電路設計

          除了電源效率之外,負載點電源IC的一個關鍵性能要求是瞬態性能。負載(例如,FPGA)消耗的電流突然變化需要電源的快速響應。然而,輸出電流的這種快速變化會導致輸出電壓出現瞬態尖峰,其幅度和持續時間取決于調節環路的傳遞函數。

           

          半導體工藝的日益小型化導致晶體管的擊穿電壓降低,因此電源電壓電平更低。這反過來又降低了器件電源軌上瞬態過壓和欠壓的可用裕量。高于工藝擊穿電壓的過沖會導致器件損壞,另一方面,低于器件最小工作電壓的下沖會導致故障。電源IC具有良好的負載瞬態性能和高效率,可確保有足夠的裕量輕松設計安全電源電路,同時有助于節省功耗。

           

          DC/DC轉換器IC中使用的控制方法解決了這兩個挑戰

           

          控制模式

          典型的電壓模式控制器從單個反饋路徑監視輸出電壓Vo,并將其與誤差放大器的基準電壓進行比較。通過將誤差信號與鋸齒波形進行比較來生成PWM。PWM用作驅動控制FET的輸入信號,如圖1所示。

          電壓模式控制框圖

          圖1 - 電壓模式控制框圖

           

          需要一個補償網絡來改善閉合控制回路的相位裕量,以確保電源的穩定性。因此,外部補償電路需要更大的PCB面積。此外,補償網絡和放大器會減慢反饋環路的響應速度。

           

          穩定性通常以瞬態響應為代價,因此,對于快速負載瞬態應用,傳統的電壓模式控制并不是最方便的解決方案。

           

          電流模式控制器由兩個環路組成。外部電壓控制環路跟蹤Vout.內部環路跟蹤電感電流IL通過檢測電阻RS并生成PMW發生器使用的參考信號(見圖2)。

           

          電流模式控制框圖

          圖2 - 電流模式控制框圖

           

          電流反饋環路消除了閉環傳遞函數中引入的復雜極點,并簡化了環路補償。這有效地允許電流模式控制比電壓模式更快。此外,它比電壓模式控制更易于使用,因為它需要較少的外部電路。

           

          然而,電流檢測電阻會影響系統的效率。當電感電流在低端(圖2中表示為二極管)和高端電源開關之間傳遞時,電流檢測環路也會受到開關噪聲的影響。通常,需要實現更復雜的電流檢測方法,這增加了控制器的復雜性,從而導致更大的硅面積和更高的成本。

           

           

          傳統滯后控制

          傳統的遲滯控制是最簡單的方法,因為反饋環路不需要任何補償。輸出電壓保持在遲滯窗口內,由基準電壓定義。遲滯比較器的輸出打開/關閉主開關Q1。

           

          與電壓模式和電流模式相比,該方法的瞬態響應速度最快,因為瞬態響應時間僅取決于遲滯比較器和驅動器電路中的延遲。

           

          然而,它確實對輸出電壓施加了紋波,對應于比較器遲滯的寬度。紋波通過輸出電容的ESR(等效串聯電阻)產生。

           

          紋波可以通過減小磁滯寬度來減小,但是在設計上有一個折衷,因為這會導致開關頻率更高,并且在某一點上操作不穩定。同時,開關頻率是VIN、VO、L、CO和滯后窗口寬度的函數。

           

           

          控制方式

          基于遲滯方法,用于同步功率轉換電路的增強型控制器克服了傳統方法的缺點。

           

          輸出紋波被抑制,但保持了快速瞬態響應,確保了噪聲魯棒性,設計簡單,無需補償元件,并且該方法允許用戶選擇穩定的工作頻率操作。

           

          相當于在相同條件下工作的傳統遲滯控制器的輸出紋波的斜坡波疊加到基準電壓(見圖3)。這種內部產生的“虛擬紋波”確保了比較器處有足夠的遲滯寬度,同時允許將實際輸出紋波降至最低。

           

          基于滯后的控制框圖

          圖3 - 基于滯后的控制框圖

           

          由于外部紋波減小,不需要補償電路,因此與其他控制方法相比,必要的外部元件數量保持在最低限度,并且線圈的尺寸可能會減小。

           

          通過電阻分壓器從Vo復制的輸出檢測電壓Vfb被反饋,并與添加斜坡波的參考電壓Vref進行比較。

           

          當主開關Q1斷開時,輸出檢測電壓Vfb等于增加的參考電壓Vr時,比較結果Vc反轉,主開關Q1接通。此時,一個用于確定該時段的接通時間的計時器開始計數。

           

           

          自適應導通時間控制

          在比較器之后,自適應導通時間控制器根據輸出電壓、輸入電壓和用戶設置的工作頻率,將控制開關Q1的“導通”時間設置為每個開關周期的固定值。

           

          每次LX切換時,噪聲都會注入DCDC系統。對于自適應導通時間系統,LX從低到高轉換期間的噪聲至關重要,因為只有導通時間是固定的,因此注入反饋環路的噪聲會導致多個LX開關(不穩定開關)。斜坡控制引入了與LX的低到高轉換自然同步的負偏移,從而改善了系統噪聲裕量。

           

          通過這種控制方法實現的響應速度和精度的提高如圖3所示。斜坡控制技術與自適應“導通”時間控制的專利組合可實現高效率、集成的 DC/DC IC,其優點包括:在低 Vout 和高負載電流下增加安全裕度,以及在固定受控開關頻率下穩定運行。

           

          輸入電壓選項范圍為4.5至30V,輸出電壓范圍為0.6至5.5V,輸出電流范圍為3.0至10A,采用小型4x4mm²至6x6mm²功率QFN封裝。緊湊的尺寸適用于嵌入式計算、電信設備、機頂盒、顯示器和電視、存儲設備(SSD/HDD)、建筑和安全系統的PCB電源。

           

          開關穩壓器結合了小型多芯片QFN封裝、快速準確的瞬態行為和高效率,這要歸功于針對具有可選頻率操作的內置低Ron溝槽MOSFET而優化的FET驅動器。

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

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          創建時間:2022-05-06 15:58
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