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      固定頻率 DCS-Control:具有時鐘同步功能的快速瞬態響應
      轉載 :  zaoche168.com   2024年05月13日

      恒定導通時間 (COT) 控制拓撲的常見缺點是開關頻率變化和無法與外部時鐘同步。德州儀器無縫過渡到省電模式的固定頻率直接控制(固定頻率 DCS-Control)拓撲建立在可提供快速瞬態響應的流行 COT DCS-Control 拓撲基礎之上,并增加了一個振蕩器,以實現固定頻率操作和可選的時鐘同步。這種組合支持既需要快速瞬態響應,又具有特定噪聲或頻率要求的應用。

      差分遙感、外部控制環補償和可堆疊性等其他特性支持噪聲敏感型應用中大電流處理器對瞬態的苛刻要求,這些應用包括汽車信息娛樂和高級駕駛輔助系統 (ADAS)、通信設備光學模塊、工業測試和測量、醫療以及航空航天和國防。本文概述了固定頻率 DCS-Control 拓撲,討論了其出色的瞬態響應、恒定和可同步的開關頻率、低紋波省電模式以及可實現更大電流的可堆疊性。

      DCS-Control 拓撲概覽

      圖 1 顯示了 DCS-Control 拓撲的基本方框圖。輸出電壓檢測 (VOS) 引腳和反饋 (FB) 引腳為控制環路提供輸入,以實現適當的調節。VOS 引腳通過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,從而實現拓撲的快速瞬態響應。FB 引腳是一條帶寬較低的路徑,可提供高度精確的直流設定點調節。在 DCS-Control 中時,VOS 引腳的交流路徑和 FB 引腳的直流路徑相結合,可提供精確的輸出電壓,并能夠快速響應負載瞬態。

      圖 1: DCS-Control 拓撲的方框圖

      DCS-Control 等 COT 拓撲通過計時器設置導通時間。通過根據輸入和輸出電壓調整此導通時間,計時器可在脈寬調制 (PWM) 模式下使大多數占空比實現合理的恒定頻率運行。方程式 1 顯示了一個示例,其中 416ns 是 2.4MHz 開關頻率的周期:

      但是,對于需要在特定頻段內外運行的應用來說,開關頻率不夠精確。這些應用通常需要使用振蕩器設置開關頻率,例如采用電壓或電流模式控制時,某些情況下還需要能夠與系統時鐘信號同步。

      固定頻率 DCS-Control 拓撲概覽

      圖 2 顯示了在 15A TPS62873 降壓轉換器中實現的固定頻率 DCS-Control 拓撲的基本框圖。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置開關頻率 (fSW)。將振蕩器輸入加入控制環路還能使開關頻率與應用的時鐘信號同步。

      圖 2: TPS62873 固定頻率 DCS-Control 拓撲框圖,包括振蕩器、差分遙感、跨導放大器和遲滯比較器

      固定頻率 DCS-Control 采用差分遙感技術,通常用于較高電流的器件。該器件調節 VOSNS 引腳和 GOSNS 引腳之間的電壓,這兩個引腳穿過印刷電路板 (PCB),直接檢測負載上的輸出電壓。在負載處檢測不僅可以克服和補償 PCB 平面和布線上的直流壓降,還可以克服和補償器件與負載之間的電感產生的延遲。這兩個特性對于在整個負載范圍內和負載瞬態期間保持非常嚴格的調節非常重要。

      差分遙感信號被饋入跨導放大器 (gm),該放大器將其差值與輸出電壓設定點進行比較(為簡單起見,圖 2 將該設定點顯示為與 GOSNS 信號串聯的電壓源)。COMP 引腳提供該放大器的輸出,該輸出通過一個 II 類(一個極點,一個零點)網絡接地進行補償。

      通過這種外部補償,您可以優化控制環路,以滿足任何系統需求——從輸出電容大、負載瞬態強的系統,一直到輸出電容小、體積小、負載瞬態小或無負載瞬態的系統。與 DCS-Control 不同,快速反饋路徑會經過該放大器,而不是直接進入比較器,在比較器中選擇補償元件可以增加(或減少)增益。如果需要更強的瞬態響應,則需要提高增益并增加輸出電容。如果應用中不存在較強的瞬態響應,您可以降低增益并使用很小的輸出電容,以實現盡可能小的尺寸。

      這種根據應用需求調整瞬態響應的能力可在更惡劣的瞬態條件下實現比以前的 DCS-Control 拓撲更嚴格的調節,并滿足要求苛刻的處理器內核的要求,例如德州儀器的 Jacinto™ J7 和 MobileEye 的 EyeQ6。圖 3 顯示了三個 TPS62876-Q1 降壓轉換器的堆疊,可提供 46A 的負載瞬態響應,同時將輸出電壓保持在 0.875V 設定點的 ±2% 范圍內。

      圖 3: 固定頻率 DCS-Control 的瞬態響應可調整至最嚴重的負載瞬態,從而提供出色的調節能力

      遲滯比較器會將 COMP 引腳輸出與由 τaux 元件產生的電感器電流副本進行比較,并增加斜率補償以防止次諧波振蕩。比較器的輸出與時鐘一起驅動設置-復位 (SR) 鎖存電路,從而控制柵極驅動器和器件的運行。振蕩器可控制開關,使其完全按照開關頻率進行。

      設置-復位鎖存器是控制模塊詳細操作的簡化表示,實施該鎖存器是為了保持 DCS-Control 的快速、遲滯特性,從而對負載瞬態做出即時響應。例如,在負載突降瞬態(輸出電壓上升)期間,遲滯比較器的輸出優先于時鐘信號。轉換器會根據需要延長高側 MOSFET 的關斷時間,以盡可能小的過沖使輸出電壓降下來。與教科書中的峰值電流模式控制相比,這種行為在本質上有所改進,因為教科書中的峰值電流模式控制在每個時鐘周期都會切換,即使輸出電壓過高,也會繼續向其增加能量。通過減少輸出電壓過沖,轉換器可顯著降低輸出電容,這會對電源的成本和尺寸產生重要影響。

      開關頻率變化

      除了保持快速瞬態響應(可通過 COMP 引腳上的外部補償進一步改善和調整)外,固定頻率 DCS-Control 還可提供具有嚴格容差規范的固定開關頻率。由于開關頻率是通過振蕩器直接設置,而不是通過導通計時器間接控制,因此器件專用數據表中對頻率容差進行了規定。表 1 和表 2 將使用固定頻率 DCS-Control 拓撲的 TPS62876-Q1 的開關頻率規格與 DCS-Control TPS62869 降壓轉換器的典型頻率規格進行了比較。

      表 1: 使用固定頻率 DCS-Control 拓撲的 TPS62876-Q1 規定,在整個溫度和輸入電壓范圍內,其四個開關頻率選項的容差為±10%

      表 2: 使用 DCS-Control 的 TPS62869 只規定了典型開關頻率

      圖 4 和圖 5 比較了應用中開關頻率的實際變化與負載電流間的關系。這兩款器件都支持省電模式,在負載電流較低時(兩幅圖的左側)頻率降低。在 PWM 模式下運行(電流較大)時,固定頻率 DCS-Control 的開關頻率得到精確控制,而 DCS-Control 的開關頻率則會隨著負載的增加而略有提高。在強制 PWM 模式下(未顯示),固定頻率 DCS-Control 可在空載時保持恒定頻率。

      圖 4: 采用 DCS-Control 的 TPS62869 的開關頻率變化

      圖 5: 采用固定頻率 DCS-Control 的 TPSM8287A12 電源模塊的開關頻率變化

      除省電模式外,還有兩種情況開關頻率也會偏離振蕩器設定的頻率:強瞬態負載期間和達到最短導通時間時。在施加大負載時,高側 MOSFET 的導通時間可能長于整個開關周期;在移除大負載時,高側 MOSFET 的關斷時間可能長于整個開關周期。這兩種情況都會導致由于導通或關斷時間過長而缺失一個或多個脈沖。

      如果達到高側 MOSFET 的最短導通時間,固定頻率 DCS-Control 和 DCS-Control 都會降低開關頻率,以滿足最短導通時間并維持輸出電壓調節。這些器件的性能相比某些電流模式器件有所改進,因為電流模式器件會保持頻率不變,并升高輸出電壓,以滿足所需的最短導通時間。雖然固定頻率 DCS-Control 和 DCS-Control 都以相同的方式降低開關頻率,但固定頻率 DCS-Control 達到最短導通時間并降低頻率的工作條件較少,因為其最短導通時間更短。例如,TPS62876-Q1 規定其在 5V 輸入電壓和工作溫度范圍內的最短導通時間的最大值為 44ns。如此低的最短導通時間值使得汽車、航空航天和國防等領域的低輸出電壓應用能夠在整個系統有時需要的較高頻率區域工作。

      低紋波省電模式

      雖然大多數應用都在強制 PWM 模式下運行固定頻率 DCS-Control 器件,以便在輕負載時獲得更低的輸出電壓紋波和更好的瞬態響應,但該拓撲也支持省電模式,以提高輕負載時的效率。為了保持目標開關頻率,并在較低負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通時間,而 DCS-Control 則保持導通時間不變。當電感器電流變得不連續時,這兩種拓撲都會進入省電模式,從而產生比 PWM 模式稍高的紋波。

      固定頻率 DCS-Control 的省電模式不是在導通時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通時間。與 DCS-Control 相比,縮短導通時間可減少輸出能量,從而降低紋波電壓。一旦導通時間縮短到最短,跳躍脈沖將進一步降低最輕負載的輸出功率。跳躍脈沖也會降低頻率。

      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 在負載低于大約 60mA 時降低頻率,而 DCS-Control 器件在大約 500mA 時開始降低頻率。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 器件在負載電流較低時仍能保持開關頻率,從而降低紋波。

      通過堆疊(并聯)獲得更大(或更?。┑呢撦d電流

      一方面,每一代處理器內核都需要更高的電流。另一方面,某些應用可能不會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低端的處理器,從而降低電流要求。無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)解決方案,這樣就可以根據電流要求的變化來添加或移除額外的電源相位。

      固定頻率 DCS-Control 器件支持堆疊。雖然每個器件系列的具體實現細節略有不同,但其特性都包括電流共享、相位交錯和接口簡化。

      電流共享通過 COMP 引腳實現。由于 COMP 引腳本質上是小信號工作點,因此通過在所有堆疊器件之間共享該引腳的信號,固定頻率 DCS-Control 通常能夠實現高于 10% 的電流共享精度。

      相位交錯由專用 SYNC_OUT 引腳實現,該引腳連接到堆棧中下一個器件的 MODE/SYNC 輸入引腳。SYNC_OUT 會自動進行相移,以消除紋波。通過這種簡單的菊花鏈,堆棧中的所有器件都能以相同的頻率運行,而且紋波比單相設計更低。您可以堆疊大量轉換器,實現非常好的相位平衡,而無需指定堆棧中的器件數量。

      通過 I2C 與堆棧連接時,通信只發生在主要器件上,而不是堆棧中的每個器件上,以便調整輸出電壓、更改工作模式或讀回故障寄存器。與單個器件連接可減少讀寫次數和需要布線的 PCB 信號數量,從而大大簡化通信開銷和 PCB 布線。

      結語

      憑借快速的瞬態響應和可堆疊性,固定頻率 DCS-Control 可滿足新款處理器對負載瞬態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用。汽車 ADAS 和信息娛樂系統、光學模塊、工業測試和測量、醫療以及航空航天和國防應用都能從中受益??烧{外部控制環路補償以極小的輸出電容支持快速瞬態響應,從而降低電源系統的大小和成本。

      來源:德州儀器《模擬設計期刊》

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