使用第二級濾波器來減少電壓紋波

本期，為大家?guī)淼氖恰妒褂玫诙墳V波器來減少電壓紋波》，我們將深入探討實現(xiàn) 1mV 輸出電壓紋波的三種不同控制架構(gòu)，并提供使用相同電氣規(guī)格的測試數(shù)據(jù)以及輸出電壓紋波、解決方案尺寸、負(fù)載瞬態(tài)和效率的比較結(jié)果。

引言

具有集成點對點串行通信或模擬前端 (AFE) 的高級處理器和片上系統(tǒng) (SoC) 的電源需要具有低輸出電壓紋波，才能保持信號完整性并提高性能。處理器負(fù)載點 (POL) 電源的輸出電壓紋波要求可能低于 2mV，這大約是典型紋波設(shè)計的十分之一，這給同步降壓轉(zhuǎn)換器帶來了嚴(yán)重的設(shè)計限制。由于處理器的輸出電流要求超出了線性后置穩(wěn)壓器的能力，因此采用具有更高開關(guān)頻率和額外輸出電容的第二級濾波器可大大減少 POL 紋波。同步降壓轉(zhuǎn)換器具有多種不同的控制架構(gòu)，每種架構(gòu)都具有獨特方法，可在低紋波電壓設(shè)計下確保穩(wěn)定性。本文比較了實現(xiàn) 1mV 輸出電壓紋波的三種不同控制架構(gòu)：外部補(bǔ)償電壓模式、恒定導(dǎo)通時間和可選補(bǔ)償電流模式，并提供了使用相同電氣規(guī)格的測試數(shù)據(jù)以及輸出電壓紋波、解決方案尺寸、負(fù)載瞬態(tài)和效率的比較結(jié)果。

選擇并約束應(yīng)用程序

設(shè)計并構(gòu)建了三種不同電源，以展示在類似工作條件下每種控制模式的性能。對于每種設(shè)計，輸入電壓為 12V，輸出電壓為 1V，并且每個器件的輸出電流能夠達(dá)到 15A。這些是為高性能 SoC 供電的典型要求，高性能 SoC 集成了敏感的模擬電路，需要低輸出電壓紋波。

為了約束濾波器設(shè)計和性能預(yù)期，允許的紋波電壓為輸出電壓的 ±0.15% 或 ±1.5mV (3mVpp)。我們采用三個 TI 直流/直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較：15A D-CAP3? 降壓轉(zhuǎn)換器 (TPS548A28)、20A 內(nèi)部補(bǔ)償高級電流模式 (ACM) 降壓轉(zhuǎn)換器 (TPS543B22) 和 15A 電壓模式降壓轉(zhuǎn)換器 (TPS56121)。我們在轉(zhuǎn)換器支持類似第二級濾波器元件的能力范圍內(nèi)，選擇了盡可能彼此接近的輸出電壓、輸出電流和工作頻率。

設(shè)計第二級濾波器

即使使用低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 陶瓷輸出電容器，通過降壓轉(zhuǎn)換器的電感器和電容器 (LC) 輸出濾波器來實現(xiàn)低輸出電壓紋波也是不切實際的。要實現(xiàn)低于 5mV 的輸出紋波，設(shè)計人員可能需要使用第二級 LC 濾波器。有關(guān)第二級濾波器設(shè)計或紋波測量技術(shù)的更多信息，請參閱資源部分?？墒褂梅匠淌?1 并求解 L2 來計算第二級濾波器的電感器值。電感器 L2 是第二級電感器，C1 是降壓轉(zhuǎn)換器的初級輸出電容器，C2 是第二級電容器網(wǎng)絡(luò)。所有三種設(shè)計都使用了相同的第二級濾波器（如表 1 所示），占用了 92mm2 的電路板面積（如圖 1 所示）。

表 1.轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)和第二級濾波器

圖 1. 第二級濾波器的電路板面積為 92mm2

選擇第二級電感器值 (L2) 并組裝元件后，下一步是通過增加第二級電感和電容來重新補(bǔ)償直流/直流轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路，以確保穩(wěn)定性。必須指出的是，每個控制架構(gòu)都有自己獨特的技術(shù)，可在添加第二級濾波器后重新補(bǔ)償控制環(huán)路（如需）。我們對每個控制架構(gòu)的輸出電壓紋波、效率損失和穩(wěn)定性進(jìn)行了評估并匯總出結(jié)果。

電壓模式控制架構(gòu)

通過將輸出電壓和基準(zhǔn)電壓的電壓誤差信號與恒定鋸齒-斜坡波形進(jìn)行比較，可實現(xiàn)具有電壓模式控制架構(gòu)的脈寬調(diào)制 (PWM)。斜坡由振蕩器發(fā)出的時鐘信號啟動。

TPS56121 采用外部補(bǔ)償 3 類補(bǔ)償來尋址雙極功率級，從而允許在添加第二級濾波器后對轉(zhuǎn)換器進(jìn)行重新補(bǔ)償。在添加第二級濾波器后調(diào)整外部電阻器和電容器值可確保穩(wěn)定性。在沒有額外濾波器的情況下，輸出電壓峰峰值紋波為 4.8mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 1.9mV （如圖 2 所示）。在這種情況下，TPS56121 設(shè)計無需調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償即可確保穩(wěn)定性。圖 3 顯示了具有 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓 波形沒有不穩(wěn)定的跡象。

圖 2. 具有和不具有額外第二級濾波器的TPS56121 輸出電壓紋波

圖 3. 使用電壓模式控制的 TPS56121 的瞬態(tài)響應(yīng)

D-CAP3 控制架構(gòu)

D-CAP3 使用一次性計時器生成與輸入電壓和輸出電壓成正比的導(dǎo)通時間脈沖。當(dāng)下降反饋電壓等于基準(zhǔn)電壓時，將生成新的 PWM 導(dǎo)通脈沖。斜坡由輸出電感器仿真。來自內(nèi)部紋波注入電路的信號直接饋入比較器，消除了其失調(diào)電壓，從而減少了對電容器 ESR 輸出電壓紋波的需求。D-CAP3 和其他恒定導(dǎo)通時間轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢之一是無需額外的環(huán)路補(bǔ)償電路。但是，如果器件支持此功能，并且在輸出電壓反饋電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)中添加了前饋電容，則控制環(huán)路的功能可通過可調(diào)斜坡進(jìn)行調(diào)整。在沒有額外濾波器的情況下，TPS548A28 輸出電壓峰峰值紋波為 7.6mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 2.3mV（如圖 4 所示）。在此情況下，TPS548A28 設(shè)計無需進(jìn)行調(diào)整即可確保穩(wěn)定性。圖 5 顯示了與之前的轉(zhuǎn)換器具有相同 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓波形沒有不穩(wěn)定的跡象。

圖 4. 具有和不具有額外第二級濾波器的TPS548A28 輸出電壓紋波

圖 5.使用 D-CAP3 控制的 TPS548A28 的瞬態(tài)響應(yīng)

高級電流模式 (ACM) 控制架構(gòu)

內(nèi)部補(bǔ)償 ACM 是基于紋波的峰值電流模式控制方案，它使用內(nèi)部生成的斜坡來表示電感器電流。這種控制模式可在非線性控制模式（如 D-CAP3）的更快瞬態(tài)響應(yīng)速度與其他外部補(bǔ)償固定頻率控制架構(gòu)（如電壓模式控制）的廣泛電容器穩(wěn)定性之間實現(xiàn)平衡。ACM 是一種較新的控制架構(gòu)，它允許使用單個電阻器（而非電阻器和電容器網(wǎng)絡(luò)）對環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。TPS543B22 具有三個可選 PWM 斜坡選項，可在實施第二級濾波器時優(yōu)化控制環(huán)路性能。有趣的是，我們注意到它的評估模塊在電路板上具有電容器和電感器焊盤，可方便地容納第二級濾波器元件。在沒有額外濾波器的情況下，TPS543B22 輸出電壓峰峰值紋波為 7.4mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 1.3mV（如圖 6 所示）。TPS543B22 設(shè)計無需調(diào)整斜坡即可確保穩(wěn)定性。圖 7 顯示了與之前的轉(zhuǎn)換器具有相同 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓波形沒有不穩(wěn)定的跡象。

圖 6. 具有和不具有額外第二級濾波器的TPS543B22 輸出電壓紋波

圖 7. 使用 ACM 控制的 TPS543B22 的瞬態(tài)響應(yīng)

效率損失

在具有和不具有額外第二級濾波器的情況下測量了每個直流/直流轉(zhuǎn)換器的滿載效率以比較功率損耗。表 2 所示為相關(guān)結(jié)果。第二級濾波器的功率損耗和效率損失可忽略不計。之所以測量效率和功率損耗差異，是因為每個直流/直流轉(zhuǎn)換器都具有獨特的功率 MOSFET，這會導(dǎo)致效率結(jié)論不準(zhǔn)確。效率損失和額外所需的 92mm2 布板空間是否值得改善輸出電壓紋波，這由設(shè)計人員決定。

設(shè)計人員以前使用額外的低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器對直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行后置穩(wěn)壓，并實現(xiàn)低輸出電壓紋波。如果設(shè)計人員更喜歡使用 LDO 而不是第二級濾波器，則可以并聯(lián) 4A TPS7A54 來提供高達(dá) 8A 的電流。例如，如果 LDO 的壓降為 175mV，則兩個 LDO 在 8A 電流下的耗散功率為 1.4W，而第二級濾波器的耗散功率為 0.02W。LDO 的輸出電壓紋波噪聲較低，為 4μV，但如果第二級濾波器為 SoC 和 AFE 提供可接受的低輸出電壓紋波，則優(yōu)點是尺寸更小、功率損耗更低且元件成本更低。

表 2. 效率和功率損耗比較

結(jié)論

第二級濾波器是一種簡單、小巧、高效且低成本的解決方案，可為高電流負(fù)載設(shè)計提供低輸出電壓紋波。沒有適用于每種設(shè)計情況的完美控制模式，但可以在許多降壓轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)中實施第二級濾波器。如果您使用網(wǎng)絡(luò)接口卡 SoC 或是使用 AFE 的遠(yuǎn)程無線電單元進(jìn)行設(shè)計，則第二級濾波器可提供比標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器低得多的紋波。表 3 總結(jié)了與每個器件相關(guān)的紋波以及效率和尺寸權(quán)衡。

表 3. 紋波、尺寸和效率權(quán)衡