使用第二級濾波器來減少電壓紋波

在上期中，我們介紹了有源(而不是無源)緩沖器及其相關(guān)控制。該緩沖器可更大限度地減小整流器電壓應(yīng)力，從而實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器效率，同時還可在不影響工作范圍的情況下大大降低緩沖電路中的能量耗散。

本期，為大家?guī)淼氖恰妒褂玫诙?a href="http://wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器來減少電壓紋波》，我們將深入探討實現(xiàn) 1mV 輸出電壓紋波的三種不同控制架構(gòu)，并提供使用相同電氣規(guī)格的測試數(shù)據(jù)以及輸出電壓紋波、解決方案尺寸、負(fù)載瞬態(tài)和效率的比較結(jié)果。

引言

具有集成點對點串行通信或模擬前端 (AFE) 的高級處理器和片上系統(tǒng) (SoC) 的電源需要具有低輸出電壓紋波，才能保持信號完整性并提高性能。處理器負(fù)載點 (POL) 電源的輸出電壓紋波要求可能低于 2mV，這大約是典型紋波設(shè)計的十分之一，這給同步降壓轉(zhuǎn)換器帶來了嚴(yán)重的設(shè)計限制。由于處理器的輸出電流要求超出了線性后置穩(wěn)壓器的能力，因此采用具有更高開關(guān)頻率和額外輸出電容的第二級濾波器可大大減少 POL 紋波。同步降壓轉(zhuǎn)換器具有多種不同的控制架構(gòu)，每種架構(gòu)都具有獨特方法，可在低紋波電壓設(shè)計下確保穩(wěn)定性。本文比較了實現(xiàn) 1mV 輸出電壓紋波的三種不同控制架構(gòu)：外部補償電壓模式、恒定導(dǎo)通時間和可選補償電流模式，并提供了使用相同電氣規(guī)格的測試數(shù)據(jù)以及輸出電壓紋波、解決方案尺寸、負(fù)載瞬態(tài)和效率的比較結(jié)果。

選擇并約束應(yīng)用程序

設(shè)計并構(gòu)建了三種不同電源，以展示在類似工作條件下每種控制模式的性能。對于每種設(shè)計，輸入電壓為 12V，輸出電壓為 1V，并且每個器件的輸出電流能夠達(dá)到 15A。這些是為高性能 SoC 供電的典型要求，高性能 SoC 集成了敏感的模擬電路，需要低輸出電壓紋波。

為了約束濾波器設(shè)計和性能預(yù)期，允許的紋波電壓為輸出電壓的 ±0.15% 或 ±1.5mV (3mVpp)。我們采用三個 TI 直流/直流轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較：15A D-CAP3 降壓轉(zhuǎn)換器 (TPS548A28)、20A 內(nèi)部補償高級電流模式 (ACM) 降壓轉(zhuǎn)換器 (TPS543B22) 和 15A 電壓模式降壓轉(zhuǎn)換器 (TPS56121)。我們在轉(zhuǎn)換器支持類似第二級濾波器元件的能力范圍內(nèi)，選擇了盡可能彼此接近的輸出電壓、輸出電流和工作頻率。

設(shè)計第二級濾波器

即使使用低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 陶瓷輸出電容器，通過降壓轉(zhuǎn)換器的電感器和電容器 (LC) 輸出濾波器來實現(xiàn)低輸出電壓紋波也是不切實際的。要實現(xiàn)低于 5mV 的輸出紋波，設(shè)計人員可能需要使用第二級 LC 濾波器。有關(guān)第二級濾波器設(shè)計或紋波測量技術(shù)的更多信息，請參閱資源部分?？墒褂梅匠淌?1 并求解 L2 來計算第二級濾波器的電感器值。電感器 L2 是第二級電感器，C1 是降壓轉(zhuǎn)換器的初級輸出電容器，C2 是第二級電容器網(wǎng)絡(luò)。所有三種設(shè)計都使用了相同的第二級濾波器（如表 1 所示），占用了 92mm2 的電路板面積（如圖 1 所示）。

表 1.轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)和第二級濾波器

圖 1. 第二級濾波器的電路板面積為 92mm2

選擇第二級電感器值 (L2) 并組裝元件后，下一步是通過增加第二級電感和電容來重新補償直流/直流轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路，以確保穩(wěn)定性。必須指出的是，每個控制架構(gòu)都有自己獨特的技術(shù)，可在添加第二級濾波器后重新補償控制環(huán)路（如需）。我們對每個控制架構(gòu)的輸出電壓紋波、效率損失和穩(wěn)定性進(jìn)行了評估并匯總出結(jié)果。

電壓模式控制架構(gòu)

通過將輸出電壓和基準(zhǔn)電壓的電壓誤差信號與恒定鋸齒-斜坡波形進(jìn)行比較，可實現(xiàn)具有電壓模式控制架構(gòu)的脈寬調(diào)制 (PWM)。斜坡由振蕩器發(fā)出的時鐘信號啟動。

TPS56121 采用外部補償 3 類補償來尋址雙極功率級，從而允許在添加第二級濾波器后對轉(zhuǎn)換器進(jìn)行重新補償。在添加第二級濾波器后調(diào)整外部電阻器和電容器值可確保穩(wěn)定性。在沒有額外濾波器的情況下，輸出電壓峰峰值紋波為 4.8mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 1.9mV （如圖 2 所示）。在這種情況下，TPS56121 設(shè)計無需調(diào)節(jié)環(huán)路補償即可確保穩(wěn)定性。圖 3 顯示了具有 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓 波形沒有不穩(wěn)定的跡象。

圖 2. 具有和不具有額外第二級濾波器的

TPS56121 輸出電壓紋波

圖 3. 使用電壓模式控制的 TPS56121 的瞬態(tài)響應(yīng)

D-CAP3 控制架構(gòu)

D-CAP3 使用一次性計時器生成與輸入電壓和輸出電壓成正比的導(dǎo)通時間脈沖。當(dāng)下降反饋電壓等于基準(zhǔn)電壓時，將生成新的 PWM 導(dǎo)通脈沖。斜坡由輸出電感器仿真。來自內(nèi)部紋波注入電路的信號直接饋入比較器，消除了其失調(diào)電壓，從而減少了對電容器 ESR 輸出電壓紋波的需求。D-CAP3 和其他恒定導(dǎo)通時間轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢之一是無需額外的環(huán)路補償電路。但是，如果器件支持此功能，并且在輸出電壓反饋電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)中添加了前饋電容，則控制環(huán)路的功能可通過可調(diào)斜坡進(jìn)行調(diào)整。在沒有額外濾波器的情況下，TPS548A28 輸出電壓峰峰值紋波為 7.6mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 2.3mV（如圖 4 所示）。在此情況下，TPS548A28 設(shè)計無需進(jìn)行調(diào)整即可確保穩(wěn)定性。圖 5 顯示了與之前的轉(zhuǎn)換器具有相同 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓波形沒有不穩(wěn)定的跡象。

圖 4. 具有和不具有額外第二級濾波器的

TPS548A28 輸出電壓紋波

圖 5.使用 D-CAP3 控制的 TPS548A28 的瞬態(tài)響應(yīng)

高級電流模式 (ACM) 控制架構(gòu)

內(nèi)部補償 ACM 是基于紋波的峰值電流模式控制方案，它使用內(nèi)部生成的斜坡來表示電感器電流。這種控制模式可在非線性控制模式（如 D-CAP3）的更快瞬態(tài)響應(yīng)速度與其他外部補償固定頻率控制架構(gòu)（如電壓模式控制）的廣泛電容器穩(wěn)定性之間實現(xiàn)平衡。ACM 是一種較新的控制架構(gòu)，它允許使用單個電阻器（而非電阻器和電容器網(wǎng)絡(luò)）對環(huán)路進(jìn)行補償。TPS543B22 具有三個可選 PWM 斜坡選項，可在實施第二級濾波器時優(yōu)化控制環(huán)路性能。有趣的是，我們注意到它的評估模塊在電路板上具有電容器和電感器焊盤，可方便地容納第二級濾波器元件。在沒有額外濾波器的情況下，TPS543B22 輸出電壓峰峰值紋波為 7.4mV。應(yīng)用額外濾波器后，輸出電壓紋波為 1.3mV（如圖 6 所示）。TPS543B22 設(shè)計無需調(diào)整斜坡即可確保穩(wěn)定性。圖 7 顯示了與之前的轉(zhuǎn)換器具有相同 10A 負(fù)載階躍的負(fù)載瞬態(tài)波形，并且實施第二級濾波器后的輸出電壓波形沒有不穩(wěn)定的跡象。

圖 6. 具有和不具有額外第二級濾波器的

TPS543B22 輸出電壓紋波

圖 7. 使用 ACM 控制的 TPS543B22 的瞬態(tài)響應(yīng)

效率損失

在具有和不具有額外第二級濾波器的情況下測量了每個直流/直流轉(zhuǎn)換器的滿載效率以比較功率損耗。表 2 所示為相關(guān)結(jié)果。第二級濾波器的功率損耗和效率損失可忽略不計。之所以測量效率和功率損耗差異，是因為每個直流/直流轉(zhuǎn)換器都具有獨特的功率 MOSFET，這會導(dǎo)致效率結(jié)論不準(zhǔn)確。效率損失和額外所需的 92mm2 布板空間是否值得改善輸出電壓紋波，這由設(shè)計人員決定。

設(shè)計人員以前使用額外的低壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器對直流/直流轉(zhuǎn)換器的輸出電壓進(jìn)行后置穩(wěn)壓，并實現(xiàn)低輸出電壓紋波。如果設(shè)計人員更喜歡使用 LDO 而不是第二級濾波器，則可以并聯(lián) 4A TPS7A54 來提供高達(dá) 8A 的電流。例如，如果 LDO 的壓降為 175mV，則兩個 LDO 在 8A 電流下的耗散功率為 1.4W，而第二級濾波器的耗散功率為 0.02W。LDO 的輸出電壓紋波噪聲較低，為 4μV，但如果第二級濾波器為 SoC 和 AFE 提供可接受的低輸出電壓紋波，則優(yōu)點是尺寸更小、功率損耗更低且元件成本更低。

表 2. 效率和功率損耗比較

結(jié)論

第二級濾波器是一種簡單、小巧、高效且低成本的解決方案，可為高電流負(fù)載設(shè)計提供低輸出電壓紋波。沒有適用于每種設(shè)計情況的完美控制模式，但可以在許多降壓轉(zhuǎn)換器控制架構(gòu)中實施第二級濾波器。如果您使用網(wǎng)絡(luò)接口卡 SoC 或是使用 AFE 的遠(yuǎn)程無線電單元進(jìn)行設(shè)計，則第二級濾波器可提供比標(biāo)準(zhǔn)降壓轉(zhuǎn)換器低得多的紋波。表 3 總結(jié)了與每個器件相關(guān)的紋波以及效率和尺寸權(quán)衡。

表 3. 紋波、尺寸和效率權(quán)衡