新型DC-DC開關轉換器設計：在DSP系統(tǒng)中延長電池壽命

　　圖4. 通過MOSFET調節(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)絡中。調節(jié)控制電壓的占空比可以改變其平均DC電平。因此使用一個控制電壓和電阻可以調節(jié)輸出電壓。下面的公式用于計算電阻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可以如下計算

　　（3）

　　（4）

　　該方法產(chǎn)生了更加平滑的變換。不同于MOSFET開關方法，能夠驅動電阻負載的任何控制電壓均可用于該方案，而MOSFET開關方法僅能夠用于驅動電容負載的控制信號源。該方法可以適用于任何輸出電壓組合和輸出負載電流。因此，根據(jù)需要調整內核電壓，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輸出電壓之間的變換。

　　圖5. 使用控制電壓 VC進行ADP2102的動態(tài)電壓調整

　　圖6. 通過控制電壓調節(jié)下面的反饋電阻器

　　降壓式DC-DC轉換器中的恒定導通時間谷值電流模式控制方案優(yōu)點

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

　　測量流過NMOS主開關的電感電流的典型方法是，當NMOS主開關導通時檢測NMOS主開關上的壓降，或者檢測輸入端和主開關的漏極之間的串聯(lián)電阻上的壓降。在這兩個檢測方案中，電感電流檢測過程中出現(xiàn)在開關節(jié)點上的寄生效應均能引發(fā)激振現(xiàn)象，因此在測量電感電流之前必須等待一段時間，即消隱時間。在低占空比操作過程中，這使得主開關建立并保持導通的時間變少。圖A示出了主開關上的電感電流和電流感測信號，其由消隱時間和導通時間構成。

　　圖A. 消隱時間指使用固定頻率的峰值電流模式控制方案的降壓降轉換器中的主開關所能實現(xiàn)的最小導通時間

　　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，主開關的導通總是由內部時鐘控制的，而且與反饋回路無關，因此存在最小導通時間，其將電路操作限制在較高的開關頻率。而且，由于建立時間的限制，在脈沖不夠寬時不能感測電流。消隱時間決定了主開關的導通時間，僅有很少的時間可用于電流感測。在諸如手機和媒體播放器的便攜式應用中，DSP內核需要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，應使用較高的開關頻率。但是如果使用該控制方案，則在使用較高的開關頻率時，很難由較高的輸入電壓生成低占空比的電壓。

　　后沿調制控制方案的第二個缺點是其較差的瞬態(tài)響應。圖B示出了針對負載電流的正向變化和負向變化的瞬態(tài)響應的典型波形。便攜式應用中，在降低輸出電容器的尺寸和成本的同時必須能夠實現(xiàn)很快的瞬態(tài)響應。在輸出端出現(xiàn)負載電流的正向階躍增加時，輸出響應可能延遲一個時鐘周期。在負載電流的負向階躍減小的情況中，轉換器強行給出最小寬度高邊導通時間，其由電流控制環(huán)的速度確定。因此在負向負載瞬態(tài)變化的過程中，不可能實現(xiàn)最小延遲響應，而且還將發(fā)生嚴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向負載電流響應

　　在固定頻率下操作的峰值電流控制轉換器的第三個缺點是，當占空比大于50%時，電路是不穩(wěn)定的（圖C），導致發(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。對于大于50%的占空比，電感電流的增長量（ΔIL1）隨著時間變大，導致了I2較大的增長量（ΔIL2）。為了解決這一問題，需要進行斜坡補償，這增加了設計復雜度。典型的斜坡補償方法是將外部斜坡信號添加到電感電流信號。

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

　　使用恒定導通時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制，其中主開關的導通時間被設計成固定的，基于谷值電流感測信號調制關斷時間，并且調節(jié)開關周期，使其等于導通時間加上關斷時間。該架構能夠提供主開關的最小導通時間，有助于在高頻下進行操作，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降壓轉換器中，主開關僅在10%的時間中是導通的，而同步開關在剩余的90%的時間中導通。這使得低邊開關電流比主開關電流更容易進行采樣和處理。

　　與檢測電感峰值電流以確定主開關電流不同，在主開關的關斷時間中對電感谷值電流采樣。谷值電流感測方案加上恒定導通時間設計一起減少了回路延遲，因此能夠實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應。

　　Ray Ridley（進一步閱讀文獻3）提出了這樣一種觀點，當外部斜坡等于電流信號的下降斜坡時，恒定頻率控制的電流回路增益與恒定導通時間系統(tǒng)的電流回路增益相同。因此，對于恒定導通時間控制，回路增益相對于占空比保持不變，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間不夠，則可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

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

　　恒定導通時間谷值電流控制的一個顯著優(yōu)點是限制降壓轉換器中的短路電流的能力。當降壓轉換器的輸出短路且高邊開關導通時，輸出電壓變?yōu)榱悖⑶译姼猩系膲航档扔赩IN。電感電流在 tON時間內迅速增加。電感放電時間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，高邊開關不會再次導通。因此，該控制方案在短路條件下僅能傳遞固定的最大電流。