雙端拓撲與仿電流感測信號技術(shù)在寬或高輸入范圍DC/DC降壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、關(guān)于寬或高輸入范圍、低電源輸出功率降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)的問題

一般來說，常常采用開關(guān)穩(wěn)壓器將不穩(wěn)定的寬與高輸入電壓降低為穩(wěn)定的低輸出電壓。對于必須通過DC/DC轉(zhuǎn)換降低輸入電壓的系統(tǒng)來說，采用開關(guān)穩(wěn)壓器可大幅提高轉(zhuǎn)換效率，這方面遠比線性穩(wěn)壓器好得多。其脈寬調(diào)制(PWM)電源供應(yīng)控制器有單端拓撲結(jié)構(gòu)與雙端拓撲結(jié)構(gòu)。

1.1單端拓撲結(jié)構(gòu)的控制方法與特征

控制方法有二種，即電壓模式與電流模式。電壓模式是簡易、低噪音的控制方法，可滿足大輸入及輸出范圍的需求。電流模式是帶內(nèi)置電流限制，擁有快速瞬態(tài)響應(yīng)時間。

集成度：集成的軟啟動(可編程)提供了可預(yù)測的啟動能力，而內(nèi)置前沿消隱電路(1eadingedgeblanking)，用以抑制MOSFET管開啟時的轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的毛刺。

性能具有：多種電壓模式控制器都具有輸入電壓前饋能力，可對輸入線電壓的改變做出即時的響應(yīng)；絕大部分的控制器都具有內(nèi)置高電流驅(qū)動能力。無須外置MOSFET驅(qū)動器；更低的啟動電流，以用于脫機應(yīng)用；低工作電流實現(xiàn)了低負載下的高效率；可編程最小化的責(zé)任周期限制，實現(xiàn)了低負載下的高效率（如UCC3581)。

特點：在10W~350W脫機工作，DC／DC電源；單端拓撲結(jié)構(gòu)電源（降壓型、升壓型、回掃型和正向）。

1.2雙端拓撲結(jié)構(gòu)控制方法與特征

其電流模式的控制技術(shù)是采用逐周期電源限制(cycle-by-cyclecurrentlimltmg)，并以其快速的瞬態(tài)響應(yīng)為特色；而電壓模式是多用途，低噪音的控制方法，可實現(xiàn)大的責(zé)任周期范圍。

軟開關(guān)特征：零電壓切換(ZVT)軟開關(guān)技術(shù)最小化了開啟時的功率損耗；相位切換、零電壓轉(zhuǎn)換控制器最大化了全橋轉(zhuǎn)換器的效率。

保護特征：靈活的過電流限制回路提供了可編程的錯誤保護模式；可編程軟啟動實現(xiàn)了初始化時及出錯之后的可預(yù)測啟動；高速，逐周期電流限制；最大化責(zé)任周期限制以防止變壓器飽和；可編程停滯時間(deadtime)控制，防止了電源開關(guān)的交叉?zhèn)鲗?dǎo)。

1.3舉例應(yīng)用——更高集成度的PWM控制器MAX5051

MAX5051為雙開關(guān)拓撲PWM控制器，比較理想用于建立高性能、同步整流、48V隔離電源。見圖1MAX5051功能引腳與應(yīng)用示意圖。其元件數(shù)減少2倍而成本削減3倍。


應(yīng)該說當(dāng)今大部分內(nèi)置變壓器的直流／直流轉(zhuǎn)換器都采用回掃及正向的電路程式。由于這兩種布局的變壓器匝數(shù)比可以按照不同要求加以設(shè)定，因此可以滿足大部分降壓轉(zhuǎn)換的要求，確保使寬與高輸入／輸出降壓比的應(yīng)用也可充分發(fā)揮轉(zhuǎn)換性能。對于不需要為接地絕緣的系統(tǒng)來說，采用降壓穩(wěn)壓器是較為理想的電路布局。降壓穩(wěn)壓器電路布局的優(yōu)點是成本較低，因為這個解決方案無需采用變壓器。以下是降壓穩(wěn)壓器的電壓轉(zhuǎn)換公式：Vout=VIN×D。

2、新型集成開關(guān)DC／DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計與應(yīng)用

2.1設(shè)計思想

效率及小尺寸解決方案。若需同時實現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率及最小化的解決方案尺寸，那么推薦使用帶集成開關(guān)的感應(yīng)轉(zhuǎn)換型轉(zhuǎn)換器是一種理想選擇。低功耗DC／DC轉(zhuǎn)換器系列以及與負載點步降DC／DC轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)97％的峰值效率，如T1的TPS6xxxx與TPS54xxx就是一例。其同步校正不僅取代了不便宜的肖特基校正二極管，同時還使轉(zhuǎn)換器效率的提升高達10％。更高的效率意味著電池驅(qū)動應(yīng)用了額外的操作時間，而大電流應(yīng)用中更低的功耗也放松了對散熱設(shè)計的要求。

因外部僅需電阻、電容及單個電感支持工作，集成的高側(cè)及低側(cè)轉(zhuǎn)換FETs便可有效的降低了占板空間。而取決于不同的輸出電流，其集成開關(guān)DC／DC轉(zhuǎn)換器可采用如下封裝模式：CSP(800mA)、SOT-23(400mA)、QFN-10(1.2A)以及TSSOP-28(13A)，從而更減小了解決方案的尺寸。

關(guān)于輸出電流-輸出電流典型受限于集成FETs的尺寸，并且對于最小輸入電壓來說是額定的，如TPS6xxxx系列。而如TPS54xxx系列輸出電流指示為連續(xù)可用的輸出電流；可實現(xiàn)更高的峰值電流以確保高性能DSP、FPGA及ASIC系統(tǒng)啟動時能有適合的供給。且通過以下方程：

Lout=0.65ⅩIswitch(min)Ⅹ(VinⅩVout)

可實現(xiàn)對輸出電流的粗略估計。對于輸出電流低于300mA及效率低于90％的情況，無電感充電泵DC／DC穩(wěn)壓器會是一個成本及空間效益型的選擇。

關(guān)于輸入電壓-DC／DC轉(zhuǎn)換器能與寬范圍的輸入源協(xié)同運轉(zhuǎn)，包括供電模塊、插頭式電源(wallsupply，或稱墻式電源)以及電池。如TPS6xxxx系列及其小外形封裝，低靜態(tài)工作電流都已經(jīng)為低功耗電池驅(qū)動應(yīng)用作了最優(yōu)化。對于電池驅(qū)動系統(tǒng)來說，輸入電壓隨著電池放電在大范圍內(nèi)變動。因此，轉(zhuǎn)換器的選擇就必須取決于所給定的電池工藝水平及數(shù)量。如TPS54xxxSWlFT系列可工作于預(yù)調(diào)節(jié)24V、12V、5V或3.3V的總線電壓。

關(guān)于輸出電壓-當(dāng)前的高級DSP、FPGA及ASIC芯片要求更低的電源電壓。為實現(xiàn)最大的靈活性，轉(zhuǎn)換器可同時支持額定的及可低至0.7V的可調(diào)節(jié)輸出電壓。

2.2應(yīng)用舉例——5.5V至36V輸入，3A步降DC／DC轉(zhuǎn)換器TPS5430

TPS54303ADC／DC轉(zhuǎn)換器對于采用通用12V或24V電源軌的大范圍應(yīng)用來說是理想的選擇。采用相應(yīng)的SWIFT軟件工具能大大地降低開發(fā)時間。圖2為TPS5430功能與應(yīng)用示意圖。其主要特點為：集成110mΩN道溝MOSFET；固定的500kHz轉(zhuǎn)換頻率；可調(diào)節(jié)輸出電壓低至1.23V；具有內(nèi)置補償與內(nèi)置慢啟動及內(nèi)置陰極負載二極管(bootstrapdiode)；電壓前饋與內(nèi)置過電流保護及熱關(guān)斷；僅有18μA的關(guān)斷靜態(tài)電流；-40℃至125℃的工作交匯溫度范圍；封裝模式：小型化熱強化型8引腳S01CPowerPAD封裝

應(yīng)用領(lǐng)域：在消費應(yīng)用方面，如機頂盒、DVD、LCD顯示；亦可在工業(yè)及車載音頻電源與電池充電器、高功率LED電源及12／24-V分布式電源系統(tǒng)上應(yīng)用。

3、高與寬輸入范圍DC/DC降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)典型應(yīng)用舉例

可整合76V輸入、低靜態(tài)電流、2A降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器

圖3(a)MAX5090功能與應(yīng)用示意圖。其特征為：無需使用MOV或TVS；6.5V至76V寬輸入電壓范圍；承受高達80V汽車甩負載；高性能，滿載下具有92％的高效率，無負載時310μA低靜態(tài)電流，19μA低關(guān)斷電流；為嚴(yán)酷的汽車環(huán)境而設(shè)計，確保工作在-40℃至+125℃結(jié)溫范圍內(nèi)，打嗝模式短路保護，保持器件涼態(tài)，熱關(guān)斷和短路限流。上述功能可整合在5mmX5mmTQFN封裝內(nèi)。3.2頻率最高并具有寬輸入電壓范圍(5V至23V)的2ADC-DC轉(zhuǎn)換器MAX5089見圖3(b)示意。其特征為：2.2MHz開關(guān)頻率，避免噪聲干擾敏感的AM波段或ADSL2+頻段；5V±10％或5.5V至23V的寬Vin范圍，適合寬廣的汽車電壓范圍和對xDSL和機頂盒的寬電壓范圍墻上適配器進行穩(wěn)壓及用于控制7V至14V的粗調(diào)中間總線電壓非常理想；高效，同步整流驅(qū)動器允許在寬Vin范圍內(nèi)實現(xiàn)最高效率。圖3(b)為MAX5089功能與應(yīng)用示意圖。


4、仿電流感測信號技術(shù)在DC/DC降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用

4.1仿電流感測信號技術(shù)的引出

降壓穩(wěn)壓器常用的調(diào)制控制方法有電壓模式(VM)、電流模式(CM)及恒定導(dǎo)通時間(COT)等三種。電流模式控制可以輕易提供環(huán)路補償，而且本身還有線路前饋補償，因此頗受電源供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計者的歡迎。一般來說：電壓模式控制不會輕易受噪音的干擾，但瞬態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn)則不及電流模式。若采用恒定導(dǎo)通時間的控制方法：大部分穩(wěn)定性的問題都會自動消失，而且線路及負載的瞬念響應(yīng)也較為理想。但采用恒定導(dǎo)通時間控制的穩(wěn)壓器并非以恒定的開關(guān)頻率操作，因此不能與外置時鐘保持同步。

傳統(tǒng)的電流模式控制方法有它的缺點。圖4所示的是采用電流模式控制方法的降壓穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)框圖。穩(wěn)壓器的輸出電壓不但受監(jiān)控，而且可與參考電壓互相參照比較，一旦出現(xiàn)誤差信號，便會傳送到脈沖寬度調(diào)制器(PWM)。電壓模式與電流模式的控制方式完全不同，原因在于兩者的調(diào)制斜波信號來自不同的信號源。執(zhí)行電流模式控制功能所需的調(diào)制斜波信號是一種與降壓開關(guān)電流成正比的信號。電感器的電流會在開關(guān)導(dǎo)通期間流入降壓開關(guān)。通電后，電感器電流的波形斜率為正數(shù)的(VIN—Vout)/L。降壓開關(guān)電流的測量數(shù)值必須準(zhǔn)確，而且有關(guān)數(shù)字要盡快測出，以便產(chǎn)生調(diào)制斜波信號。電流模式控制的主要缺點是很難取得降壓開關(guān)電流信號。

4.2關(guān)于仿電流感測信號技術(shù)的特征

要快速而準(zhǔn)確測量降壓開關(guān)的電流并不容易，但可以采用新的方法模擬降壓開關(guān)電流，而無需真正測量電流，避開測量的準(zhǔn)確性問題。以降壓穩(wěn)壓器來說，電感器電流是降壓開關(guān)電流及自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管電流的總和(圖5為仿電流感測信號技術(shù)的降壓穩(wěn)壓器波形示意)，降壓開關(guān)電流波形由兩個部分組成，其中有基本或消隱電平信號，也有斜波信號。消隱電平信號是整個開關(guān)周期的最低電感器電流值（谷值)。當(dāng)降壓開關(guān)啟動，而自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管關(guān)閉的一瞬間，電感器電流便處于最低值。電感器電流處于谷值時，降壓開關(guān)及二極管的電流也同樣處于其最低值。我們可以在降壓開關(guān)啟動前利用采桿及保持的方法進行采樣，以測量自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管的電流，所得的測量數(shù)值可以用來捕捉消隱電平信號。

降壓開關(guān)電流波形的另—組成部分是信號的斜波。電感器電壓是降壓開關(guān)啟動后的輸入／輸出電壓差。這個電壓有足夠的強度，可將正數(shù)斜率的斜波電流輸入電感器及降壓開關(guān)。斜波電流的斜率為di/dt=(VIN—Vout)/L。可以選擇適當(dāng)?shù)男辈娙葜礐RAMP，以確保電容器電壓斜率與電感器電流斜率成正比。