高效、低紋波DCS-Control實(shí)現(xiàn)無(wú)縫PWM節(jié)能轉(zhuǎn)換

持續(xù)最小“導(dǎo)通”時(shí)間的單個(gè)開關(guān)脈沖，把最小能量傳輸至輸出端，從而實(shí)現(xiàn)最小輸出電壓紋波。隨著輕負(fù)載電流增加，單次脈沖更加靠近，并增加開關(guān)頻率至音頻帶之上，其速率高于其它節(jié)能拓?fù)?。其它拓?fù)湓诠?jié)能模式下使用數(shù)組或者連續(xù)脈沖，導(dǎo)致脈沖期間輸出端的能量更大。由于輸出電壓降回其設(shè)置點(diǎn)需要花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，因此脈沖的間隔更大，從而使有效頻率在音頻范圍內(nèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。DCS-Control的單脈沖構(gòu)架，讓其可以工作在音頻帶以上，并且負(fù)載電流小于其它拓?fù)洹?/p>

當(dāng)負(fù)載增長(zhǎng)到一定程度、單次脈沖之間沒有時(shí)間間隔時(shí)，在比較器告訴高側(cè)MOSFET再次開啟以前電感電流不會(huì)返回零。DCM邊界處出現(xiàn)這種負(fù)載狀態(tài)，屆時(shí)，轉(zhuǎn)換器退出節(jié)能模式，進(jìn)入PWM模式。

節(jié)能模式的輸出電壓紋波

組合使用節(jié)能模式(最小“導(dǎo)通”時(shí)間的單次脈沖)和達(dá)到零電感電流時(shí)進(jìn)入PWM模式，讓DCS-Control拓?fù)浔绕渌負(fù)涓屿`活，從而實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單的配置，最終滿足系統(tǒng)要求。例如，思考一個(gè)12V輸入和3.3V輸出的系統(tǒng)在節(jié)能模式下的輸出電壓紋波情況。TI的TPS62130評(píng)估模塊(EVM)工作在2.5MHz設(shè)置下，用于圖2來(lái)演示如何通過增加外部電感和輸出電容減少這種紋波。無(wú)負(fù)載狀態(tài)用于顯示節(jié)能模式下的極端輸出電壓紋波。

圖2 TPS62130的輸出電壓紋波

圖2a顯示了已經(jīng)很低的26mV峰值到峰值輸出電壓紋波，即3.3V輸出電壓的0.8%，其使用默認(rèn)電路得到。由于在每個(gè)開關(guān)脈沖期間傳輸?shù)哪芰肯嗤虼嗽黾虞敵鲭娙菘梢詼p少輸出電壓紋波。輸出電容更高，固定能量帶來(lái)的電壓紋波也就越少(圖2b)。由于“導(dǎo)通”時(shí)間不變，因此增加電感可以降低開關(guān)脈沖內(nèi)達(dá)到的峰值電流。低峰值電流存儲(chǔ)的能量也更少(E= ? × L × I2)，因此傳輸至輸出的能量也更少，從而再一次降低了電壓紋波(圖2c)。注意，每個(gè)電路的“導(dǎo)通”時(shí)間相同，因?yàn)槠錇槠骷膬?nèi)部固定值，無(wú)法通過外部組件改變。

工程師還可以設(shè)置通過調(diào)節(jié)電感進(jìn)入節(jié)能模式的負(fù)載電流，其把邊界更改為DCM。更大的電感帶來(lái)更小的電感電流紋波，其意味著，電感電流保持在零以上，導(dǎo)致更低的輸出電流電平。它可以讓節(jié)能模式的進(jìn)入點(diǎn)和輸出電壓紋波滿足各種特殊需求，從而讓這種拓?fù)淇梢杂糜诟鞣N應(yīng)用中，包括那些對(duì)噪聲高度敏感的應(yīng)用，例如：醫(yī)療或者工業(yè)應(yīng)用中的低功耗無(wú)線發(fā)射器和接收器、消費(fèi)類設(shè)備的便攜式電源以及固態(tài)硬盤電源。瞬態(tài)響應(yīng)

由于DCS-Control拓?fù)渫ㄟ^VOS引腳檢測(cè)實(shí)際輸出電壓，因此其非常適合于對(duì)負(fù)載瞬態(tài)做出響應(yīng)。該信號(hào)直接饋給比較器，并不通過帶寬限制誤差放大器傳輸，不影響“導(dǎo)通”時(shí)間。因其遲滯特性，DCS-Control拓?fù)涞呢?fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更迅速，而器件100%占空比又進(jìn)一步增強(qiáng)了它的這種能力。

在這種模式下，只要輸出電壓恢復(fù)需要，器件便可以讓高側(cè)MOSFET保持開啟。換句話說，比較器的“導(dǎo)通”時(shí)間要求得到完全滿足。圖3顯示了TPS62130 EVM通過其100%占空比對(duì)無(wú)負(fù)載到1A負(fù)載瞬態(tài)做出響應(yīng)的情況。在瞬態(tài)開始和高側(cè)MOSFET開啟時(shí)之間的300ns時(shí)間延遲意味著，瞬態(tài)響應(yīng)幾乎完全受大信號(hào)問題(電感)的限制，而非小信號(hào)問題(控制拓?fù)?。因此，DCS-Control拓?fù)洳⒎鞘瞧骷矐B(tài)響應(yīng)能力局限的主要方面;在使用特定輸出濾波器組件時(shí)，它實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖3 瞬態(tài)響應(yīng)期間TPS62130 EVM的100%占空比模式

無(wú)縫轉(zhuǎn)換

在前面，我們注意到，在DCS-Control拓?fù)渲?，僅一個(gè)電路控制PWM和節(jié)能模式。它實(shí)現(xiàn)了兩種控制模式之間的迅速且無(wú)縫的轉(zhuǎn)換。另外，當(dāng)電路的工作狀態(tài)接近兩種模式之間的邊界時(shí)，它仍然擁有更高的性能。由于不存在模式開關(guān)，因此便沒有輸出脈沖干擾。

圖4把TPS62130的模式轉(zhuǎn)換性能同使用另一種控制拓?fù)涞钠骷M(jìn)行了比較。在類三角模式下，負(fù)載電流(綠色表示的底部線條)范圍為10mA到1A。我們同時(shí)觀察到了擾動(dòng)或者干擾電感電流和輸出電壓紋波。

圖4 PWM模式到節(jié)能模式轉(zhuǎn)換

對(duì)于