用TPS5211高頻遲滯控制器設(shè)計(jì)同步降壓穩(wěn)壓器

TI公司TPS5210系列控制器所采用的遲滯模式控制已被普遍用于微處理器和DSP或其他高轉(zhuǎn)換率變換負(fù)載的快速瞬態(tài)響應(yīng)電源中，這是因?yàn)檫t滯模式控制是一種具有很好動(dòng)態(tài)特性，又非常簡單的方案。采用遲滯控制器的一個(gè)同步降壓變換器實(shí)例示于圖1。

遲滯控制器是一個(gè)自振蕩電路，靠保持輸出電壓在由基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器和比較器所設(shè)計(jì)的遲滯窗口內(nèi)來實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出電壓。實(shí)際的輸出紋波電壓是由內(nèi)部延遲和輸出電容器特性所決定的遲滯電壓、過沖的組合。

這種器件沒有慢的反饋回路而在瞬間發(fā)生的同一開關(guān)周期影響負(fù)載電流瞬態(tài)。瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間只依賴遲滯比較器和驅(qū)動(dòng)電路中的延遲。比較器輸入的高頻噪聲濾波器也增加一些延遲。這些延遲依賴于所選擇的技術(shù)水平，因此，遲滯控制與其他控制方法相比具有最快的瞬態(tài)響應(yīng)。遲滯控制器的另一優(yōu)點(diǎn)是它的占空因數(shù)從0至1全范圍。它對功率開關(guān)導(dǎo)通間隔沒有任何限制，這與大多數(shù)其他控制方法不同。因此，在負(fù)載電流瞬態(tài)之后輸出電壓恢復(fù)時(shí)間是最短的。遲滯控制的優(yōu)異動(dòng)態(tài)特性使輸出濾波器大小和成本都較低。

這種控制方法的開關(guān)頻率低賴于輸出濾波器特性、輸出和輸入電壓、遲滯窗口和內(nèi)部延遲。開關(guān)頻率簡化議程式為：

fs≌[VOUT×(VIN-VOUT)×ESR] / (VIN×L×遲滯窗口）

式中ESR是輸出電容器的等效串聯(lián)電阻，L是輸出電感器值。

對于高頻工作（大于400kHz），可降低遲滯窗口，但頻率變化顯得更重要，因?yàn)檩敵鲭娙萜骷纳浴⒀舆t和噪聲影響。另一個(gè)問題是輸出電容器的類型。從上述方程可見，開關(guān)頻率正比于ESR。這意味著用一個(gè)非常低值ESR的"理想"電容器（如把很多陶瓷電容器并聯(lián)）成為問題，因?yàn)楣ぷ黝l率變得相當(dāng)?shù)汀I公司的TRS5211遲滯控制器克服了這些問題。

TPS5211特性

TPS5211控制器功能框圖與TPS5211相同。所不同的是高頻工作（高達(dá)700kHz）所規(guī)定的參量和特性。另外需要少量外部元件加到dc-dc變換器上。由TPS5211遲滯控制器組成的同步降壓變換器簡圖示于圖2.

在dc-dc穩(wěn)壓器中增加了Radd-Cadd電路。Radd連接在遲滯比較器輸入和功率開關(guān)中點(diǎn)之間。Cadd連接在比較器輸入和地之間。Radd-Cadd電路形成通過遲滯比較器輸入的另一個(gè)斜波信號：來自Radd-Cadd電路的斜波信號和來自變換器輸出的信號經(jīng)比較器輸入求和。選擇合適的Radd和Cadd，可使附加斜波信號的幅度大于變換器的輸出紋波。結(jié)果，開關(guān)頻率比較高，而輸出紋波變得比較小。開關(guān)頻率依賴于Radd-Cadd值而不依賴于輸出濾波器特性，包括ESR、ESL和輸出電容器C。TPS5211控制器開關(guān)頻率簡化方程式為：

fs=1/Ts

Ts=VIN×Radd×Cadd×遲滯窗口 / VREF×（CIN-VREF+TDELAY×（2+VREF / CIN-VREF+VIN-VREF / VREF）

式中TDELAY為比較器和驅(qū)動(dòng)電路延遲。

在同一時(shí)間，來自變換器輸出的反饋信號控制輸出電壓的dc電平，輸出電壓由下式輸出

VOUT=VREF×[1+R1×Radd / R2×(R1+Radd)]

從上式可見，輸出電壓VOUT依賴于附加電阻器Radd。為避免這種依賴性，可增加一個(gè)與Radd。串聯(lián)的dc去耦電容器Cd（見圖4）。

用去耦電容器Cd后，輸出電壓由下式輸出：

VOUT=VREF×[1+R1 / R2]

開關(guān)頻率不低賴于輸出電容器件性，所以在該dc-dc變換器中用高頻、價(jià)廉陶瓷或薄膜電容器可保持同樣優(yōu)異的負(fù)載電流瞬態(tài)響應(yīng)特性。

Radd-Cadd電路增加控制器的前饋性能，這也改善了輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)特性。

結(jié)語

用TPS5211控制器改進(jìn)遲滯控制方法，用增加簡單的外部電路施加一個(gè)附加斜波信號到遲滯比較器輸入能顯著地改變dc-dc穩(wěn)壓器的性能。其開關(guān)頻率不低賴于輸出濾波器特性和寄生性，而輸出紋波低于遲滯窗口。高開關(guān)頻率與快速瞬態(tài)響應(yīng)一起使下一代微處理器和DSP所嚴(yán)格要求的輸出濾波成本降低50～60%。