作者：Harmik Singh， Business Development Manager， Torex

? ? ? ? 本文討論了開(kāi)關(guān)電源中的一些通用反饋控制架構(gòu)。解釋了每種架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并詳細(xì)討論了 Torex 的 HiSAT-COT? 控制架構(gòu)。HiSAT-COT 專為需要超快速瞬態(tài)響應(yīng)和以固定頻率運(yùn)行的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。這些應(yīng)用包括網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備、電源模塊和其他嵌入式產(chǎn)品。

　　開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器通常用于便攜式系統(tǒng)，可最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。它們可用于有效地將電池電壓降壓或升壓為更高水平。開(kāi)關(guān)電源提供電壓模式、電流模式和恒定導(dǎo)通時(shí)間反饋控制架構(gòu)（圖 1）。脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 和脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 屬于控制輸出電壓的操作模式。PWM 通過(guò)調(diào)整開(kāi)/關(guān)時(shí)間比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，開(kāi)關(guān)頻率恒定，而 PFM 使用固定開(kāi)/關(guān)時(shí)間比，頻率可變。

圖1：PWM 直流電源可以是電壓模式或電流模式，而 PFM 直流電源則可以是恒定導(dǎo)通時(shí)間設(shè)備。（圖片來(lái)源：Torex）

　　PWM 和 PFM 之間有什么區(qū)別？

　　PWM 轉(zhuǎn)換器是一種 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，使用了固定頻率振蕩器來(lái)驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)并將能量從輸入輸送到輸出。所用驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率是恒定的，但其占空比（功率 FET 導(dǎo)通時(shí)間與總開(kāi)關(guān)周期之比）卻是變化的。時(shí)鐘頻率是固定的，占空比可根據(jù)工作條件進(jìn)行調(diào)整。

　　使用可變頻率來(lái)驅(qū)動(dòng) DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器中的電源開(kāi)關(guān)的架構(gòu)稱為 PFM，或稱“脈沖頻率調(diào)制”。直接控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。采用恒定導(dǎo)通時(shí)間和恒定關(guān)斷時(shí)間控制方式的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器就是典型的 PFM 架構(gòu)實(shí)例。

　　電壓模式控制

　　圖 2 顯示了采用電壓模式控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。該架構(gòu)采用了單個(gè)電壓反饋路徑。誤差電壓比作 PWM 比較器的斜坡，而 PWM 比較器要驅(qū)動(dòng)控制塊，以生成 PWM 信號(hào)來(lái)控制高壓側(cè)開(kāi)關(guān)。

圖2：采用電壓模式控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。（圖片來(lái)源：Torex）

　　電壓模式控制的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 　　對(duì)噪聲的敏感性少于同等的電流模式控制
• 　　單反饋回路使分析更簡(jiǎn)單
• 　　可工作在寬輸入電壓和占空比范圍內(nèi)
• 　　電壓模式控制的缺點(diǎn)包括：
• 　　回路增益與 VIN 成正比
• 　　需要復(fù)雜的補(bǔ)償
• 　　響應(yīng)慢——輸出端會(huì)感應(yīng)到輸入電壓的變化
• 　　必須采取單獨(dú)的限流

　　圖 3 顯示了采用電流模式控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。該架構(gòu)使用兩個(gè)反饋路徑來(lái)感應(yīng)輸出電壓和電感器電流。

圖 3：采用電流模式控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。（圖片來(lái)源：Torex）

　　電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 　　快速響應(yīng)線路和負(fù)載變化
• 　　更容易補(bǔ)償
• 　　限流
• 　　簡(jiǎn)化負(fù)載均分
• 　　電流模式控制的缺點(diǎn)包括：
• 　　由于存在兩個(gè)回路，因此電路分析更加困難
• 　　功率級(jí)中的諧振會(huì)將噪聲引入內(nèi)部控制回路1
• 　　需要斜坡補(bǔ)償

　　圖 4 顯示了采用恒定導(dǎo)通時(shí)間 （COT） 控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。在 COT 控制架構(gòu)中，沒(méi)有時(shí)鐘且頻率可變。

圖 4：采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。（圖片來(lái)源：Torex）

　　COT 模式控制的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 　　所需的外部組件數(shù)量最少
• 　　快速瞬態(tài)響應(yīng)
• 　　不需要補(bǔ)償
• 　　在寬負(fù)載范圍條件下均具有出色的效率
• 　　COT 模式控制的缺點(diǎn)包括：
• 　　頻率變動(dòng)
• 　　需要輸出紋波抑制
• 　　對(duì)輸出噪聲敏感
• 　　需要過(guò)流保護(hù)

　　COT 架構(gòu)的最大缺點(diǎn)是就是頻率變動(dòng)，因?yàn)檫@會(huì)在與穩(wěn)壓器相鄰的敏感電路中引起電磁干擾 （EMI）。Torex 通過(guò)其專有的 HiSAT-COT 控制架構(gòu)解決了這一缺陷。HiSAT-COT 是能夠?qū)崿F(xiàn)恒定導(dǎo)通時(shí)間的高速電路架構(gòu)的代表。圖 5 展示了 COT 與 Torex 的 HiSAT-COT 控制架構(gòu)的比較。

　　圖 5：Torex 的 HiSAT COT 器件與普通 COT 轉(zhuǎn)換器的比較。 （圖片來(lái)源：Torex）

　　Torex 的第二代 HiSAT-COT 控制架構(gòu)可提供固定頻率操作模式并提高了輸出精度。 圖 6 顯示了典型的 HiSAT-COT 頻率變化與負(fù)載電流的關(guān)系曲線。

圖 6：Torex 第一和第二代 Hi-SAT COT 器件的頻率變化與負(fù)載電流的關(guān)系（圖片來(lái)源：Torex）

　　與市場(chǎng)上的常見(jiàn) DC-DC 產(chǎn)品相比，HiSAT-COT 控制功能可產(chǎn)生超快速的瞬態(tài)響應(yīng)，如圖 7 所示，且不需要外部補(bǔ)償。當(dāng)施加負(fù)載時(shí)，性能提高了約 6 倍，卸除負(fù)載時(shí)，性能提高了約 9 倍。

圖 7：Torex 第二代 HiSAT-COT 與標(biāo)準(zhǔn) PWM 控制轉(zhuǎn)換器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較。（圖片來(lái)源：Torex）

　　第二代 HiSAT-COT 控制架構(gòu)還提高了直流輸出電壓的精度。這是通過(guò)出色的溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)電路實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵撾娐房蓪?shí)現(xiàn) +/-1% FB（頻率帶寬）電壓溫度精度（圖 8）。由于許多 MPU（微處理器單元）負(fù)載要求緊輸入電壓容差，因此需要在低壓下保持高電壓精度。

圖 8：Torex 的第一代和第二代 HiSAT-COT 器件的典型輸出電壓頻率精度。（圖片來(lái)源：Torex）

　　Torex 最近宣布推出 XC9281/XC9282 這一全新系列 HiSAT-COT 控制架構(gòu)——超小型 600 mA 降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。該器件工作采用 2.5 V 至 5.5 V 輸入電壓，輸出電壓可在 0.7 V 至 3.6 V 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且僅消耗 11 μA 的靜態(tài)電流。以 6 MHz 的開(kāi)關(guān)頻率工作時(shí)，可以使用尺寸為 1.0 x 0.5 mm 的 0.47 μH 電感器。可使用 0.6 x 0.3 mm 的陶瓷電容器作為輸入電容 （CIN） 和輸出電容 （CL）。使用這些組件時(shí)可將包括外圍組件在內(nèi)的安裝面積控制在僅為 6.6 mm2。（圖 9）

圖 9：Torex 的 XC9281/XC9282 器件包括外圍組件的安裝面積。（圖片來(lái)源：Torex）

　　表 1 列出了 Torex 的第二代 HiSAT-COT 產(chǎn)品。

　　表 1：Torex 的第二代 HiSAT-COT 產(chǎn)品。（圖片來(lái)源：Torex）

　　總結(jié)

　　對(duì)于想要設(shè)計(jì)負(fù)載點(diǎn)電源電路的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在有了一系列 Torex 產(chǎn)品可供選擇。這些器件可在較寬的工作條件下實(shí)現(xiàn)更高的能效。HiSAT-COT 系列產(chǎn)品可以工作在高開(kāi)關(guān)頻率下并提供超快速瞬態(tài)響應(yīng)，能夠通過(guò)減小電感器和輸出電容器的尺寸來(lái)減小整體解決方案的尺寸。

　　參考資料

　　《開(kāi)關(guān)電源拓?fù)潆妷耗Ｊ綄?duì)電流模式》，作者 Unitrode 的 Robert Mammano，DN-62，1994 年 6 月。