采用仿紋波模式輕松實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換

Emulated Ripple Mode – easy to use step down conversion

　　20年前，簡(jiǎn)單易用的集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的問(wèn)世帶來(lái)了電源管理技術(shù)革命。此前，大多數(shù)的應(yīng)用都是采用線性穩(wěn)壓器作為電源電壓以及復(fù)雜的專(zhuān)有開(kāi)關(guān)式電源。而今，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體著名的Simple Switcher系列ＤＣ－ＤＣ穩(wěn)壓器已被廣泛應(yīng)用在各式各樣的設(shè)計(jì)中。在實(shí)現(xiàn)Simple Switcher電源的環(huán)路穩(wěn)定性方面，有兩個(gè)方法可以采用：一是固定的內(nèi)部補(bǔ)償，但這個(gè)方法會(huì)影響設(shè)計(jì)人員選擇輸出級(jí)電感器和電容器時(shí)的自由度；二是從外部作補(bǔ)償，這方法雖然可帶給設(shè)計(jì)人員較大的電源級(jí)元件選擇靈活性，但卻會(huì)使設(shè)計(jì)過(guò)程變得更為復(fù)雜。

　　一種全新的控制方式 – 仿紋波模式(ERM)現(xiàn)已應(yīng)用在Simple Switcher最新的降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)品上，可以有效的簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員無(wú)需再擔(dān)憂穩(wěn)定性方面的問(wèn)題，包括控制環(huán)路的補(bǔ)償和輸出紋波電壓的高低。

如何駕馭滯后模式轉(zhuǎn)換器

　　與電壓模式控制和電流模式控制的架構(gòu)比較，滯后模式控制無(wú)需使用補(bǔ)償組件。因此，從定義上看滯后模式轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路是不穩(wěn)定的。

　　在這種穩(wěn)壓器中，輸出電壓會(huì)被保持在兩個(gè)滯后閾值之內(nèi)。當(dāng)輸出電壓下跌至閾值以下時(shí)，一個(gè)全新的開(kāi)關(guān)開(kāi)啟周期便會(huì)立刻被觸發(fā)，直至到達(dá)了滯后比較器的高階閾值，那周期便會(huì)終結(jié)。這個(gè)控制方式事實(shí)上非常簡(jiǎn)單，因?yàn)楫?dāng)中無(wú)需任何的振蕩器和控制環(huán)路管理?？墒牵@種設(shè)計(jì)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是經(jīng)常需要反饋電壓紋波來(lái)進(jìn)行修正。假如采用很低等效串聯(lián)電阻(ESR)的中等尺寸電容器(例如是陶瓷類(lèi)電容器)來(lái)過(guò)濾輸出電壓，輸出紋波雖然可以很低，但不可以很準(zhǔn)確地達(dá)到滯后閾值。事實(shí)上，這些具備極低ESR的電容器所看到的電壓紋波，會(huì)被相位位移到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的真正開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間。在一個(gè)滯后模式控制中，我們需要在開(kāi)啟時(shí)加大反饋電壓，并在關(guān)閉時(shí)減少反饋電壓。這樣，我們才可從滯后比較器獲得下一個(gè)周期的正確指令信號(hào)。然而，一個(gè)極低ESR的輸出電容器會(huì)降低輸出的紋波電壓，而且掠去滯后電容器所需的紋波電壓?；谏鲜鲈?，仿紋波模式(ERM)控制應(yīng)運(yùn)而生。

ERM(仿紋波模式)控制

　　仿紋波模式轉(zhuǎn)換器用來(lái)感測(cè)關(guān)閉期間的感應(yīng)電流，并將其中一些紋波電壓以交流電壓的形式注入到誤差放大器的輸入。這些紋波中的交流電份量帶有正確的相位，能夠?yàn)闇竽Ｊ娇刂飘a(chǎn)生出正確的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間。然而，滯后比較器輸入中的交流電部份只會(huì)在滯后比較器等電路需要的地方才會(huì)出現(xiàn)，，不會(huì)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出電壓中。這個(gè)功能使得在滯后模式設(shè)計(jì)中可以采用非常低的ESR陶瓷輸出電容器。市場(chǎng)上率先出現(xiàn)的具備此類(lèi)功能的產(chǎn)品是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3100、LM3102和LM3103 Simple Switcher穩(wěn)壓器。圖1表示出一個(gè)設(shè)立了ERM控制的降壓穩(wěn)壓器電路，其中的仿紋波模式的實(shí)現(xiàn)利用了一個(gè)位處二極管節(jié)點(diǎn)和誤差放大器參考電壓之間的電容器。

圖1  采用仿紋波模式的降壓滯后穩(wěn)壓器

如何量度輸出電壓的紋波

　　設(shè)計(jì)低輸出電壓紋波的電源時(shí)，最重要的是事前了解真正輸出紋波電壓的大小。當(dāng)用示波器探針測(cè)量電源的輸出電壓時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)中有兩個(gè)交流電成份。其中一個(gè)成份通常被指是 “紋波”，它是由輸出電容器的ESR或由電容器本身的紋波所引起的輸出電壓變化。紋波中的ESR成份一般都會(huì)比來(lái)自電容的較大，不過(guò)如果采用的是陶瓷輸出電容器，那ESR的部份便會(huì)比電容的較少。圖2表示出一個(gè)采用介質(zhì)輸出電容器的降壓穩(wěn)壓器之輸出紋波電壓，在紋波電壓方面，來(lái)自ESR的影響比來(lái)自電容的較大。圖3則表示出另一個(gè)電路的輸出紋波電壓，該電路只采用一個(gè)ESR極低的陶瓷輸出電容器。圖中，大部份的紋波電壓都是來(lái)自電容而非ESR，而紋波的波形像一個(gè)正弦波，而不是如圖2般由ESR引起的電壓轉(zhuǎn)變。在兩個(gè)波形圖中，通道1是開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，而通道2則是在交流電模式下量度出來(lái)的輸出電壓。

圖2  采用了較高ESR輸出電容器后的輸出紋波波形

圖3  采用了較低ESR輸出電容器后的輸出紋波波形

　　圖4表示出一個(gè)隨意的測(cè)量結(jié)果，期間沒(méi)有理會(huì)太多原本的測(cè)量設(shè)定。圖中，我們看到在開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)出現(xiàn)有很大的電壓尖峰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真正的紋波波幅，但通常不當(dāng)作是紋波電壓。在這個(gè)例子中，這些尖峰的峰峰電壓均超過(guò)1V，而這些尖峰其實(shí)是噪聲尖峰，且大部份都已被測(cè)量設(shè)定量度出來(lái)。在功率FET的過(guò)渡期間會(huì)產(chǎn)生很高的頻率，而在開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)，電流會(huì)在幾納秒內(nèi)來(lái)回從零切換，這時(shí)整片電源板都會(huì)感受到很大的di/dt變化。

圖4  帶有開(kāi)關(guān)噪聲的輸出紋波電壓

　　圖5表示出LM3102評(píng)估板的測(cè)量結(jié)果，其中探針依附著輸出電壓。實(shí)現(xiàn)的方法是把探針尖夾在輸出，并將一條5英寸長(zhǎng)的高阻抗地線夾到電路板的接地。這條相對(duì)較長(zhǎng)的地線會(huì)作用為一條天線，把電路板的di/dt 噪聲吸收。

　　接著，我們進(jìn)行同樣的測(cè)量，只是移除用作天線的長(zhǎng)地線，并用一條總線纜線纏繞著探針尖的接地，而且把它連接到一個(gè)與輸出電壓很近的接地，從而大幅地削減輸出電壓的尖峰。為了盡量縮減接地環(huán)路的尺寸，直接對(duì)設(shè)計(jì)上的輸出電容器測(cè)量也不失為一個(gè)好主意。圖6表示出把探針連到接地的測(cè)試裝置，可以消除大部份的開(kāi)關(guān)噪聲。同樣的測(cè)量技巧還應(yīng)用在先前的圖2和圖3。

圖5  隨意測(cè)量裝置的較長(zhǎng)探針與接地連接

圖6  很短的測(cè)量接地環(huán)路連接

　　要降低輸出電壓紋波圖中的開(kāi)關(guān)尖峰，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是開(kāi)啟示波器的帶寬限制功能。在進(jìn)行過(guò)以上的測(cè)量后，我們應(yīng)該會(huì)對(duì)開(kāi)啟帶寬限制很有信心。因?yàn)榇蟛糠菘吹降男盘?hào)都是與測(cè)量有關(guān)，而不是輸出電壓上的真正電壓尖峰。從圖2到圖4，示波器的帶寬限制功能都被關(guān)閉。

垂手可得的低輸出紋波電壓

　　利用仿紋波模式來(lái)設(shè)計(jì)低輸出電壓紋波滯后模式穩(wěn)壓器其實(shí)非常容易。因?yàn)闊o(wú)需擔(dān)憂環(huán)路補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，而且還可以選用陶瓷輸出電容器可有效降低輸出紋波電壓。

　　當(dāng)研究交流電輸出電壓時(shí)，最重要是將紋波和噪聲區(qū)分。此外，所用的測(cè)量技術(shù)對(duì)讀數(shù)的解譯也非常重要。