具快速負(fù)載響應(yīng)且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便的寬輸入電壓降壓交換式電源方案

現(xiàn)今， 隨著工業(yè)控制、工業(yè)計(jì)算機(jī)、車用電子，甚至服務(wù)器的需求越來越多樣化，產(chǎn)品輸入電壓范圍也變得非常寬。有些應(yīng)用提高輸入電壓來減少輸入電流，以減少輸入線損并提高轉(zhuǎn)換效率。新型的服務(wù)器已可見48V輸入的需求！有些應(yīng)用也使用不同電壓源來對(duì)系統(tǒng)供電，例如工業(yè)平板計(jì)算機(jī)使用12~36V的DC輸入或使用2~3串的鋰電組供電（ 電壓范圍6V~12.6V之間），這對(duì)于3.3V、1.8V、1.2V等較低系統(tǒng)電壓需用6V~36V輸入的的電源穩(wěn)壓方案，就有寬輸入電壓方案的需求。另外，系統(tǒng)對(duì)指令周期要求越來越快，當(dāng)芯片操作頻率增加，芯片對(duì)電源的穩(wěn)定度要求也越來越高 。電源方案要達(dá)到此條件，快速負(fù)載響應(yīng)就成為必要條件！

 
圖一展現(xiàn)定頻電壓模式降壓轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)與優(yōu)缺點(diǎn)，這架構(gòu)主要好處是普遍、控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和Pulse-width Modulation（PWM）三角波振幅大，降低占空比誤差；缺點(diǎn)是電感器與輸出電容產(chǎn)生雙極點(diǎn)，需用復(fù)雜補(bǔ)償回路、補(bǔ)償回路速度慢及瞬態(tài)響應(yīng)差！另外，由于誤差放大器 （Error Amplifier, EA）的增益會(huì)被輸入電壓影響，要做到寬輸入電壓的設(shè)計(jì)會(huì)有挑戰(zhàn)！

 

圖二列出此架構(gòu)瞬態(tài)變化相關(guān)波型?？煽吹疆?dāng)輸出電流上升，由于補(bǔ)償回路延遲，輸出電壓（也反映在回授電壓）會(huì)往下掉直到回授電路察覺這變化，開始調(diào)整占空比（Duty Cycle）。由高端閘驅(qū)動(dòng)波形知道占空比在紅色區(qū)域才調(diào)整，這已落后一PWM周期！如果回授電路沒調(diào)好，反應(yīng)再慢，輸出電壓降幅會(huì)更大，造成系統(tǒng)電壓過低而出問題！

Microchip 的Hyper Speed ControlR架構(gòu)（又稱為Adaptive Constant On-Time Control架構(gòu)）可在寬范圍的輸入電壓產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出。并對(duì)快速的負(fù)載變動(dòng)有很快的頻率響應(yīng)，又可簡(jiǎn)化整體電路的設(shè)計(jì)！

 

接著分析Hyper Speed Control架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。圖三用Microchip 的MIC2127A簡(jiǎn)化方塊圖說明此架構(gòu)組成，包括了處理輸出反饋的放大電路單元、產(chǎn)生固定on-time的預(yù)估電路、電流限制電路、控制邏輯與閘驅(qū)動(dòng)。它的操作原理可參考圖四，圖中顯示了相關(guān)波形，當(dāng)輸出電流在瞬態(tài)上升，一開始輸出電壓往下掉（也反映在回授電壓），但當(dāng)回路偵測(cè)到回授電壓低于參考電壓（ VREF）時(shí)，高端閘驅(qū)動(dòng)會(huì)結(jié)束OFF時(shí)間并開啟一個(gè)固定on-time，在on-time結(jié)束后如果發(fā)現(xiàn)回授電壓還沒高于VREF值，表示輸出電壓還未回復(fù)；這時(shí)此架構(gòu)用最小OFF時(shí)間（TOFF(min)）對(duì)高端閘驅(qū)動(dòng)的電荷幫浦電路補(bǔ)充電荷，之后再開啟下個(gè)on-time，高端MOSFET會(huì)依固定on-time + TOFF(min) 的周期持續(xù)【開啟-關(guān)閉】直到回授與輸出電壓回到正常值！這時(shí)的PWM周期比在穩(wěn)態(tài)時(shí)短 （T_transient = on-time + TOFF(min) ）。此時(shí)PWM的占空比也會(huì)開到最大（DutyCycle_transient = (on-time) / ( on-time + TOFF(min) ）。把瞬態(tài)的操作頻率與占空比同時(shí)加大，自然瞬態(tài)響應(yīng)就好，達(dá)到快速負(fù)載響應(yīng)的目的！

以上是對(duì)有快速負(fù)載響應(yīng)，簡(jiǎn)便設(shè)計(jì)的寬輸入電壓的降壓交換式電源方案的介紹， 并以Microchip系列產(chǎn)品的MIC2127A當(dāng)范例來講解方案優(yōu)點(diǎn).