用于固定開啟時間穩(wěn)壓器的低ESR穩(wěn)定技術(shù)

圖6：在距離主輸出電容約1英寸的地方增加一個10uF、35V、125mΩ ESR的鉭電容后，紋波下降到了約35mV峰峰值

然而，在靠近輸出電容很近的地方增加較大容值的陶瓷電容就很可能會產(chǎn)生問題。圖7說明了將一個2.2uF的陶瓷電容緊靠輸出電容連接時發(fā)生的情況。

圖7：將一個2.2uF的陶瓷電容緊靠輸出電容連接時發(fā)生的情況

開關(guān)脈沖又開始成串地集中出現(xiàn)。問題是由與主輸出電容的ESR并行放置的附加濾波電容引起的。如果這個附加電容和輸出電容的ESR的轉(zhuǎn)角頻率接近穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率，有效ESR就開始減少，控制電路“看到”的紋波開始衰減。然而，如果附加電容與主輸出電容的距離至少有幾英寸時，就會有足夠的引線電感有效地將主輸出電容和附加電容隔離開來，電路也就能正常工作。從紋波波形可以看出，紋波與開關(guān)節(jié)點波形之間有明顯的相位偏移。這就意味著負載在開關(guān)頻率點呈現(xiàn)很大的容性，而這是不希望看到的結(jié)果。

對電路進行改進

也許最佳方案是由人工產(chǎn)生需要的紋波信息并反饋給控制器，讓控制器以為是真正想要的東西。這樣能把輸出紋波做得任意小，同時仍能保證電路正常工作。見圖8。

圖8：R4、C7和C8網(wǎng)絡組成三角波發(fā)生器，向FB引腳提供所需的信息

R4、C7和C8網(wǎng)絡組成三角波發(fā)生器，向FB引腳提供所需的信息。電阻R4和電容C7對電感上的電壓進行積分，產(chǎn)生的信號再通過C8交流耦合到反饋引腳。正常情況下，電感對其上面的電壓進行積分，并產(chǎn)生三角電流波形，流經(jīng)輸出電容的ESR后產(chǎn)生用于反饋的三角電壓波。這里的RC電路做的事也非常相似。電容C7對經(jīng)過R4的電流(正比于加在R4電阻上的電壓)進行積分。該電壓與電感兩端的電壓是相同的。就反饋電路而言，兩者實質(zhì)上指的是同一件事。來自前面電路的ESR電阻已經(jīng)被完全取消，電路中唯一的ESR只是22μF陶瓷電容的ESR，因此總的ESR大約在10mΩ數(shù)量級。

作為這種實現(xiàn)的結(jié)果，Vout端的紋波電壓如圖9所示。

圖9：Vout端的紋波電壓

紋波現(xiàn)在已經(jīng)到了15mV峰峰值數(shù)量級。同時觀察到測得的尖峰電平與以前相比也有所降低。這只是因為已經(jīng)消除了開關(guān)節(jié)點測量。與帶有噪聲的信號源連接的另外一個示波器探頭會幅射一定的能量，這一能量會被紋波測量探頭采集。因此在做非常精確的紋波測量時最好使用單個探頭。

在15V到50V輸入范圍內(nèi)的線性調(diào)整度約為20mV。這個設計完全不受額外的大容量輸出電容的影響。它要求零ESR，可以一直保持工作良好。如果環(huán)境有噪聲或布線未經(jīng)優(yōu)化，只需簡單地減小積分器的時間常數(shù)并產(chǎn)生稍多一點信號就行。

這種技術(shù)的設計過程相當簡單。在理想開關(guān)頻率點的積分電容阻抗應小于反饋分壓電阻。由于在本例中有效分壓電阻稍低于1,000Ω(1,000Ω與3,000Ω并聯(lián))，C7在500kHz頻率點的阻抗應選在100Ω左右，此時可以計算得到容值約為3300pF。由于Vin-Vout與產(chǎn)生的紋波電壓相比非常大，因此可以把R4當作是一個理想的電流源。電流值等于(Vin-Vout)/R4。目標紋波電壓可以較隨意地選為50mV峰峰值。充電電容遵循I/C=dV/dt。當輸入為30V時開啟時間約為650ns。dV選為50mV，C為3,300pF。根據(jù)公式可以算出I約為250uA。根據(jù)R=(30V-10V)/250uA，R選為75kΩ。交流耦合電容值比積分電容大3到4倍，可以選為0.01uF。這些值都不需要非常嚴格。

需要注意的是，當負載足夠輕以至于強迫電路進入不連續(xù)的傳導模式工作(DCM)時，紋波會有所增加(如圖10所示)。

圖10：當負載足夠輕以至于強迫電路進入不連續(xù)的傳導模式工作(DCM)時，紋波會有所增加

在這種情況下，40mA輸出時的紋波峰峰值接近1A輸出時峰峰值的兩倍，當負載為零時將增加到約25mV峰峰值。上面的軌跡是DCM下的開關(guān)節(jié)點。相對頻率較高的振鈴是電感與開關(guān)節(jié)點上寄生電容諧振的結(jié)果。這對任何處于DCM狀態(tài)的穩(wěn)壓器來說都是正常并可以預料到的。開關(guān)節(jié)點電容由二極管電容、高側(cè)開關(guān)輸出電容和與任何與PCB布線有關(guān)的雜散電容等組成。這種振鈴不需要進行任何處理，它不會引起任何問題。

本文小結(jié)

綜上所述，基于固定開啟時間的穩(wěn)壓器設計可以提供較低的輸出紋波，同時仍保持原始設計的很多簡潔性。對輸出電容ESR沒有要求的COT穩(wěn)壓器非常實用，生成的設計可以完全不用考慮與大電容負載有關(guān)的穩(wěn)定性問題，因此無需過多考慮反饋環(huán)路的穩(wěn)定性問題即能獲得與復雜得多的時鐘控制PWM系統(tǒng)相同的性能。