改進(jìn)的電壓模式PWM控制方案的性能介紹

通常情況下，部署在當(dāng)今嵌入式電信，服務(wù)器和存儲(chǔ)應(yīng)用中的主板包含十幾種不同的負(fù)載點(diǎn)（POL）穩(wěn)壓器，可提供低于1 A至約30 A的輸出電流。這些降壓型同步POL穩(wěn)壓器通常將中間總線電壓降低到負(fù)載IC所需的電源電壓。

由于市場(chǎng)對(duì)小尺寸，低成本，快速瞬態(tài)性能和電源排序的要求，這些降壓型POL穩(wěn)壓器采用同步整流和電壓模式控制技術(shù)在高頻下工作。雖然這種方案具有高效率和高功率密度，但它們也會(huì)導(dǎo)致高抖動(dòng)和噪聲，這在競(jìng)爭(zhēng)激烈的新一代系統(tǒng)中是不可接受的。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，好消息是像國際整流器公司這樣的功率半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)通過開發(fā)新的脈沖寬度調(diào)制器（PWM）方案解決了這些問題，該方案使用新穎的電壓在高頻率和窄占空比下實(shí)現(xiàn)無抖動(dòng)操作 - 模式控制器。它已在制造商的同步降壓穩(wěn)壓器IR3899中實(shí)現(xiàn)，該穩(wěn)壓器還包含內(nèi)置功能，可在實(shí)現(xiàn)POL設(shè)計(jì)時(shí)提供更高的靈活性。

電壓模式控制器

用于同步降壓穩(wěn)壓器的典型電壓模式控制方案如圖1所示。如圖所示，該方案中的誤差放大器通常接收輸出電壓的樣本并將其與精確的參考電壓，在誤差放大器的輸出端產(chǎn)生誤差電壓（VERROR）。然后將該輸出饋送到高速PWM比較器，該比較器還接收斜坡信號(hào)（VRAMP）。接下來，PWM比較器的輸出被饋送到鎖存器的復(fù)位輸入，類似于S-R觸發(fā)器，其另一輸入組由內(nèi)部產(chǎn)生的周期時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。該周期時(shí)鐘以固定頻率產(chǎn)生，通常可通過外部電阻或電容用戶編程。

圖1：傳統(tǒng)的電壓模式脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器。因此，當(dāng)輸出電壓由于輸入電壓，負(fù)載，溫度或任何其他此類變量的變化而改變時(shí)，VERROR信號(hào)的幅度改變。結(jié)果，它改變了PWM比較器閾值和PWM比較器輸出的脈沖寬度。通過調(diào)整脈沖寬度（占空比），輸出電壓可以保持恒定，以適應(yīng)輸入電壓，溫度，負(fù)載等的任何變化?？刂艶ET和同步FET（Sync.Fet）由來自其驅(qū)動(dòng)器部分的HDrv和LDrv脈沖驅(qū)動(dòng)。

正如國際整流器公司的Suresh Kariyadan和Parviz Parto所標(biāo)題為“電壓模式控制方案在高頻下提高降壓轉(zhuǎn)換器性能”的設(shè)計(jì)特性所述，1在傳統(tǒng)電壓的PWM信號(hào)上升沿開始斜坡 - 模式控制器，并將VERROR信號(hào)與低電壓電平相交，低電壓電平通常是斜坡的非線性區(qū)域，用于窄占空比操作。 Kariyadan和Parto解釋說這個(gè)非線性區(qū)域會(huì)產(chǎn)生更多的抖動(dòng)。然后，作者將傳統(tǒng)的電壓控制與IR工程師開發(fā)的新控制方案進(jìn)行了比較。如圖2所示，斜坡比設(shè)定信號(hào)的下降沿更早開始，從而在更線性的區(qū)域中與VERROR信號(hào)相交。通過這種方式，它產(chǎn)生最小量的抖動(dòng)。根據(jù)IR，如果復(fù)位信號(hào)在設(shè)定信號(hào)下降之前上升，新的電壓模式方案甚至可以產(chǎn)生零占空比。

圖2：比較所提出的電壓模式控制方案與傳統(tǒng)電壓模式控制器的理論波形。

如前所述，專利新方案已在制造商的電壓模式穩(wěn)壓器IC IR3899中實(shí)施。為了將傳統(tǒng)電壓模式控制的抖動(dòng)性能與新方法進(jìn)行比較，IR工程師為兩種方案生成了實(shí)驗(yàn)開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，開關(guān)頻率為600 kHz，脈沖寬度較窄。測(cè)得的開關(guān)波形表明，對(duì)于12 V輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器，在9 A負(fù)載下使用傳統(tǒng)的電壓模式控制，在600 kHz開關(guān)頻率下輸出1.0 V，抖動(dòng)性能為17.6 ns（圖3）。使用類似的輸入輸出比和600 kHz頻率的負(fù)載，新方案的抖動(dòng)性能提高到3.3 ns，如圖4所示。

圖3：測(cè)量開關(guān)波形，對(duì)于12 V輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器，在9 A負(fù)載下使用傳統(tǒng)電壓模式控制，在600 A開關(guān)頻率下具有1.0 V輸出，表明抖動(dòng)為17.6 ns。

圖4：對(duì)于12 V輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器采用新的電壓模式控制方案，在9 A負(fù)載和600 kHz開關(guān)頻率下具有1.0 V輸出，抖動(dòng)減少了3.3 ns。

工程師觀察到，采用高降壓比和更高的開關(guān)頻率，新方案的抖動(dòng)性能會(huì)更好，而傳統(tǒng)方法則會(huì)惡化。例如，IR工程師為具有16 V輸入和1.0 V輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換器生成類似的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，用于600 A開關(guān)頻率的9 A負(fù)載。據(jù)觀察，傳統(tǒng)方法的抖動(dòng)性能惡化到32 ns，而采用新方案時(shí)，抖動(dòng)性能提高到1.3 ns。

更多功能

新的電壓模式PWM控制方案提供了更多功能，而不僅僅是提高抖動(dòng)性能。根據(jù)IR技術(shù)文章，1新的調(diào)制器方案保證了輸出電壓的單調(diào)啟動(dòng)，并改善了瞬態(tài)響應(yīng)。此外，由于新方案能夠產(chǎn)生接近零的非常窄的脈沖寬度，因此確保了干凈的啟動(dòng)。由于復(fù)位信號(hào)可以在設(shè)置信號(hào)下降之前上升，因此可以在斜坡信號(hào)中沒有任何DC偏移的情況下產(chǎn)生零占空比。實(shí)際上，在新方案中測(cè)量的DC偏移僅為150 mV，并且可以在更高的閉環(huán)帶寬下運(yùn)行。因此，在啟動(dòng)期間，根據(jù)IR的設(shè)計(jì)特性，VERROR信號(hào)可以更早地接管占空比控制。

關(guān)于改進(jìn)的瞬態(tài)響應(yīng)，IR工程師指出，通過在更高的開關(guān)頻率和更高的閉環(huán)帶寬下工作，可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)的改善。本文討論了開關(guān)頻率和帶寬對(duì)瞬態(tài)性能和電容器要求的影響，基于對(duì)原型降壓轉(zhuǎn)換器的測(cè)量，該轉(zhuǎn)換器在1 MHz開關(guān)頻率下工作在VIN = 12 V和VOUT = 1 V時(shí)。使用的電感是0.33μH表面貼裝器件（Vishay IHLP2525CZER），使用的輸出電容是TDK22μF，X5R，6.3 V，0805陶瓷型（C2012X5R0J226M）。

新型電壓模式控制方法提供的另一個(gè)特性是前饋功能，可確保穩(wěn)定工作，同時(shí)在較大的輸入電壓變化范圍內(nèi)保持負(fù)載瞬態(tài)性能。圖5顯示PWM斜坡幅度信號(hào)（VRAMP）相對(duì)于輸入電壓成比例變化，以保持VIN/VRAMP的恒定比率。它使調(diào)制器增益保持恒定，以保持輸入電壓變化，并保持控制環(huán)路帶寬和相位裕度恒定。此外，IR設(shè)計(jì)人員還表明，前饋功能還可以最大限度地降低輸出電壓偏差，從而實(shí)現(xiàn)快速的輸入電壓變化。

圖5：前饋功能可確保PWM斜坡幅度信號(hào)（VRAMP）相對(duì)于輸入電壓成比例變化，以保持VIN的恒定比率/VRAMP。

總之，采用新穎的電壓模式PWM控制方案，同步降壓穩(wěn)壓器IR3899可顯著提高高頻時(shí)的抖動(dòng)性能。此外，它還保證了輸出電壓的單調(diào)啟動(dòng)，并改善了瞬態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，前饋功能可確保穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)在較大的輸入電壓變化范圍內(nèi)保持負(fù)載瞬態(tài)性能。