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降压型开关电源详解
2023-01-07 679次

  电源作为电子产品的动力中枢,其续航能力直接决定着电子产品的使用寿命。随着集成电路制造工艺的不断进步,数字电路的电源电压一直下降,但系统的供电电源还是在较高的电位,因此必须靠降压型开关电源来提供较低的供电电源。开关电源技术问世之前,线性电源作为各类电子产品的主要电源,能够实现直流高电压向直流低电压的单向变换,适用于低压差的电压转换和低负载电流的应用。要提高电子产品的性能,节约能源,关键是要解决电源的性能问题。由于开关电源具有功耗小、变换效率高等优良性能,加上生产成本低,已经逐渐取代了线性电源,在电子行业得以广泛使用。

  开关电源发展之初,功率级多采用分立器件,应用简单的异步整流技术,如图(1)所示。


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  图(1)异步整流DCDCBUCK


  同步整流技术采用MOSFET代替整流二极管,由于MOSFET的导通电阻很低,整流器件的导通损耗大大降低,提高了转换效率,同步整流技术尤其适宜应用在低电压、大电流的场合。同步整流BUCK如图(2)所示。


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  图(2)同步整流DCDCBUCK


  进入90年代中后期,随着集成电路的发展,MOS分立元件集成到芯片中,DCDCBUCK整体性能大幅提高,同时降低了成本,显示出强大的生命力。对于电流不是很大的BUCK,功率级HighSideMOS多采用PMOS,这样控制电路简单。而对于大电流BUCK,则改用经济的NMOS,NMOS的栅电压要通过自举电路抬高,如图(3)所示。


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  图(3)带自举电路的同步整流DCDCBUCKDCDC


  按控制环路可分为电压模式控制(图4)和电流模式控制(图5)。


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  图(4)电压模式DCDCBUCK控制原理图


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  图(5)电流模式DCDCBUCK控制原理图


  电压控制模式系统结构简单,因其只有电压反馈一个环路,动态响应慢,存在双极点,补偿复杂。电流模式控制在保留电压控制模式的基础上,又增加了一个电流反馈环,即存在电压反馈外环和电流反馈内环的双环控制系统。电流模式控制闭环响应快,单极点系统易于补偿。但当占空比(D)大于50%时,易产生次谐波振荡,各种谐波补偿电路应运而生,弥补了不足,在很长一段时间,电流模式控制DCDC一直是电源的主流。

  受到摩尔定律的指引,半导体制程的线宽不断缩小,智能手机、平板电脑和数码相机等市场上的便携式设备做得越来越轻薄,功能越来越强大。然而数码产品所需电源电压不断下降,电流不断增加,对电源性能的要求不断提高,传统PWM模式DCDC,已不能满足市场需要。

  近些年,COT(Constant-On-Time)控制架构得以广泛应用。COT架构的DCDC具有几大优势:1、控制电路简单,不需要误差放大器和电流采样电阻。2、对负载的变化响应快速。3、轻载时仍有较高效率。输出级电容的ESR(串联等效电阻)自带电感电流信息,只要其“信息”足够(所产生纹波可以和电容纹波比拟)就可以作为电流检测电阻使用,以实现只用输出电压就可以获得电流模式控制[1][2][3]。在输出电压纹波要求不高的应用中,可以在电容上叠加一个电阻去产生这样的纹波信号,如图(6)中的R3。


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  图(6)COT应用电路


  通常用具有较高ESR的电容(电解电容,固态电容(OSCON),高分子有机半导体固体电容器(POSCAP))来实现这种纹波。受严格的输出调整电压规格限制,以及成本和尺寸压缩的需要,电源设计者转向成本更低,尺寸更小,ESR更低的陶瓷电容(ceramic)[1]。使用带陶瓷电容的COT架构,就必须“造出”带有电感电流信息的幅度足够大的纹波,图(7)为纹波产生电路,产生的纹波可由公式(1)计算得出。


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  图(7)COT架构的DCDCBUCK纹波产生电路




  与图(6)同一款芯片的另一种应用,如图(8)所示:为获得较小的输出纹波,不用R3,而用RA,CA产生了带有足够电感电流“信息”的纹波,加载在反馈电压信号上。



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  图(8)采用纹波注入的最小纹波输出应用电路


  思瑞浦研发的TPP2020DCDCBUCK,采用COT技术,输入电压最高可达20V,输出电压5V到1V,输出电流可达3A,效率最高可达93%,其应用电路如图(9)所示。



  图(9)TPP2020应用电路

  DCDCBUCK随着微电子技术的发展以及电子产品电源的需要而不断创新,从异步整流到同步整流,功率器件从片外分立MOS到片内集成大功率MOS,从单环电压模式到双环电流模式,从复杂环路和补偿电路到简单的COT架构(误差放大器,补偿电路,甚至振荡器都可以不要),从PWM到PFM操作……

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