新型DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)：在DSP系統(tǒng)中延長電池壽命

　　圖4. 通過MOSFET調(diào)節(jié)下面的反饋電阻器

　　一種較簡單的方法可生成用于DVS的兩個(gè)不同的電壓，其使用控制電壓VC通過另外的電阻將電流注入到反饋網(wǎng)絡(luò)中。調(diào)節(jié)控制電壓的占空比可以改變其平均DC電平。因此使用一個(gè)控制電壓和電阻可以調(diào)節(jié)輸出電壓。下面的公式用于計(jì)算電阻R2、R3的值以及控制電壓幅度電平VC_LOW 和 VC_HIGH.

　　（1）

　　（2）

　　對(duì)于VOUT1 = 1.2 V， VOUT2 = 1.0 V， VFB = 0.8 V， VC_LOW = 3.3 V， VC_HIGH = 0 V， 和 R1= 49.9 kohm， R2 and R3可以如下計(jì)算

　　（3）

　　（4）

　　該方法產(chǎn)生了更加平滑的變換。不同于MOSFET開關(guān)方法，能夠驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載的任何控制電壓均可用于該方案，而MOSFET開關(guān)方法僅能夠用于驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載的控制信號(hào)源。該方法可以適用于任何輸出電壓組合和輸出負(fù)載電流。因此，根據(jù)需要調(diào)整內(nèi)核電壓，便可以降低DSP的功耗。圖5示出了使用該電流注入方法的兩個(gè)輸出電壓之間的變換。

　　圖5. 使用控制電壓 VC進(jìn)行ADP2102的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整

　　圖6. 通過控制電壓調(diào)節(jié)下面的反饋電阻器

　　降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換器中的恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流模式控制方案優(yōu)點(diǎn)

　　恒頻峰值電流控制方案使用兩個(gè)環(huán)路從高輸入電壓產(chǎn)生低輸出電壓，分別是電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。在控制信號(hào)和輸出信號(hào)之間存在最小相移，由此可以實(shí)現(xiàn)簡單的補(bǔ)償。

　　測(cè)量流過NMOS主開關(guān)的電感電流的典型方法是，當(dāng)NMOS主開關(guān)導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)NMOS主開關(guān)上的壓降，或者檢測(cè)輸入端和主開關(guān)的漏極之間的串聯(lián)電阻上的壓降。在這兩個(gè)檢測(cè)方案中，電感電流檢測(cè)過程中出現(xiàn)在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的寄生效應(yīng)均能引發(fā)激振現(xiàn)象，因此在測(cè)量電感電流之前必須等待一段時(shí)間，即消隱時(shí)間。在低占空比操作過程中，這使得主開關(guān)建立并保持導(dǎo)通的時(shí)間變少。圖A示出了主開關(guān)上的電感電流和電流感測(cè)信號(hào)，其由消隱時(shí)間和導(dǎo)通時(shí)間構(gòu)成。

　　圖A. 消隱時(shí)間指使用固定頻率的峰值電流模式控制方案的降壓降轉(zhuǎn)換器中的主開關(guān)所能實(shí)現(xiàn)的最小導(dǎo)通時(shí)間

　　在低占空比操作過程中，即在輸出電壓比輸入電壓小很多時(shí)，主開關(guān)的導(dǎo)通總是由內(nèi)部時(shí)鐘控制的，而且與反饋回路無關(guān)，因此存在最小導(dǎo)通時(shí)間，其將電路操作限制在較高的開關(guān)頻率。而且，由于建立時(shí)間的限制，在脈沖不夠?qū)挄r(shí)不能感測(cè)電流。消隱時(shí)間決定了主開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，僅有很少的時(shí)間可用于電流感測(cè)。在諸如手機(jī)和媒體播放器的便攜式應(yīng)用中，DSP內(nèi)核需要0.9 V的輸出電壓。為了減小電感的尺寸以及解決方案的整體尺寸，應(yīng)使用較高的開關(guān)頻率。但是如果使用該控制方案，則在使用較高的開關(guān)頻率時(shí)，很難由較高的輸入電壓生成低占空比的電壓。

　　后沿調(diào)制控制方案的第二個(gè)缺點(diǎn)是其較差的瞬態(tài)響應(yīng)。圖B示出了針對(duì)負(fù)載電流的正向變化和負(fù)向變化的瞬態(tài)響應(yīng)的典型波形。便攜式應(yīng)用中，在降低輸出電容器的尺寸和成本的同時(shí)必須能夠?qū)崿F(xiàn)很快的瞬態(tài)響應(yīng)。在輸出端出現(xiàn)負(fù)載電流的正向階躍增加時(shí)，輸出響應(yīng)可能延遲一個(gè)時(shí)鐘周期。在負(fù)載電流的負(fù)向階躍減小的情況中，轉(zhuǎn)換器強(qiáng)行給出最小寬度高邊導(dǎo)通時(shí)間，其由電流控制環(huán)的速度確定。因此在負(fù)向負(fù)載瞬態(tài)變化的過程中，不可能實(shí)現(xiàn)最小延遲響應(yīng)，而且還將發(fā)生嚴(yán)重的過沖和下沖瞬態(tài)現(xiàn)象。為了減少該現(xiàn)象，必須將額外的電容添加到輸出端。

　　圖B. 峰值電流模式控制的正向和負(fù)向負(fù)載電流響應(yīng)

　　在固定頻率下操作的峰值電流控制轉(zhuǎn)換器的第三個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)占空比大于50%時(shí)，電路是不穩(wěn)定的（圖C），導(dǎo)致發(fā)生分頻諧波振蕩，這將使平均輸出電流下降并且使輸出電流波紋增加。對(duì)于大于50%的占空比，電感電流的增長量（ΔIL1）隨著時(shí)間變大，導(dǎo)致了I2較大的增長量（ΔIL2）。為了解決這一問題，需要進(jìn)行斜坡補(bǔ)償，這增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度。典型的斜坡補(bǔ)償方法是將外部斜坡信號(hào)添加到電感電流信號(hào)。

　　圖C. 固定頻率峰值電流控制轉(zhuǎn)換器在占空比大于50%時(shí)存在不穩(wěn)定的問題

　　使用恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流模式控制方案可以解決上面的問題。該方案被稱為前沿調(diào)制，其中主開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間被設(shè)計(jì)成固定的，基于谷值電流感測(cè)信號(hào)調(diào)制關(guān)斷時(shí)間，并且調(diào)節(jié)開關(guān)周期，使其等于導(dǎo)通時(shí)間加上關(guān)斷時(shí)間。該架構(gòu)能夠提供主開關(guān)的最小導(dǎo)通時(shí)間，有助于在高頻下進(jìn)行操作，因此可以容易地由較高的輸入電壓產(chǎn)生較低電壓輸出。

　　在低電壓DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器中，主開關(guān)僅在10%的時(shí)間中是導(dǎo)通的，而同步開關(guān)在剩余的90%的時(shí)間中導(dǎo)通。這使得低邊開關(guān)電流比主開關(guān)電流更容易進(jìn)行采樣和處理。

　　與檢測(cè)電感峰值電流以確定主開關(guān)電流不同，在主開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間中對(duì)電感谷值電流采樣。谷值電流感測(cè)方案加上恒定導(dǎo)通時(shí)間設(shè)計(jì)一起減少了回路延遲，因此能夠?qū)崿F(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　Ray Ridley（進(jìn)一步閱讀文獻(xiàn)3）提出了這樣一種觀點(diǎn)，當(dāng)外部斜坡等于電流信號(hào)的下降斜坡時(shí)，恒定頻率控制的電流回路增益與恒定導(dǎo)通時(shí)間系統(tǒng)的電流回路增益相同。因此，對(duì)于恒定導(dǎo)通時(shí)間控制，回路增益相對(duì)于占空比保持不變，可以確保在所有條件下都是穩(wěn)定的。相反地，在恒定頻率峰值電流控制方案中，回路增益隨著占空比的增加而增加，如果使用的外部斜坡時(shí)間不夠，則可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　恒定導(dǎo)通時(shí)間可變關(guān)斷時(shí)間轉(zhuǎn)換器能夠在不使用斜坡補(bǔ)償?shù)那闆r下克服占空比大于50%時(shí)使用固定頻率操作不穩(wěn)定的問題。如果負(fù)載電流增加，則周期開始前和周期結(jié)束時(shí)的干擾是相同的，因此轉(zhuǎn)換器保持在穩(wěn)定狀態(tài)，而這與占空比的狀態(tài)無關(guān)。由于該架構(gòu)中不使用固定的時(shí)鐘，因此斜坡補(bǔ)償是多余的。

　　恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流控制的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是限制降壓轉(zhuǎn)換器中的短路電流的能力。當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出短路且高邊開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓變?yōu)榱?，并且電感上的壓降等于VIN。電感電流在 tON時(shí)間內(nèi)迅速增加。電感放電時(shí)間tOFF由VOUT/L確定，VOUT被短路，因此tOFF也增加，。在電流下降到所需的谷值電流限制之前，高邊開關(guān)不會(huì)再次導(dǎo)通。因此，該控制方案在短路條件下僅能傳遞固定的最大電流。