TI_降压稳压器架构

恒定导通时间 (COT) 迟滞稳压器
对于一个给定的 VIN，当负载电流变化时，导通时间是恒定的
• 优势
– 相对于 VIN 的变化 频率保持恒定 – 可在轻负载下实现 高效率 – 快速瞬态响应
+ VREF -
Modulator
One-Shot Inversely Proportional to VIN +
Vout = D*Vin D = Ton / (Toff +Ton)
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降压拓扑： 电流和电压波形
输入电流
低端开关或二极管
输出和电感器
开关
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轻负载操作：
CCM 和 DCM
iL (t)
全同步模式。处于 连续导通模式 (CCM)
D = VOUT/VIN
高 Io
t
低 Io
电感器电流在轻负载 条件下反转极性
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工作频率（连续）
TON 为导通时间，FS 为工作频率。 恒定导通时间控制器负责设定降 压开关的导通时间。
K 是一个常数，RON 是一个编程 电阻器。VIN 如预期的那样在分母 当中，将导通时间设定为与 VIN 成反比。
重新整理并将 TON 代入第一个公 式，然后求解 FS
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恒定导通时间可实现接近恒定的频率
iL (t)
二极管或 拟二极管
D ≠ VOUT/VIN
高 Io 低 Io
t
电感器电流在周期结束之前减小至零： “不连续导通模式” (DCM)
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同步降压的直通
• VIN 和地之间的直接连接
• “高 – 低”和“低 – 高”一定不得同时处于导通 (ON) 状 态
• 有一个时段中需要将两个 MOSFET 全部关断：死区 时间
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输出滤波器 - 1
输出滤波器是功率链的一个主要部分，而且对于成本 有着重大的影响。我们将阐释以下概念：纹波抵消、物 理尺寸权衡和负载瞬态响应性能改善。
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输出滤波器 - 2
实际上，当最大负载电流倍 增时输出电容器的数量通常 也会倍增，因此电感器的电 感值可以减半，而不会增加 输出电压纹波。 因此在许多场合中，当最大 负载电流倍增时，电感器的 物理尺寸只需倍增，而不是 翻两番。
假如各 FET 组不共用同一 个开关节点，那么为每组 FET 使用一个单独驱动器 的想法就是可行的。在多 相配置中情况确实如此。 不仅每组 FET 无需与其余 各组 FET 同时执行开关操 作，而且还故意让所有的 FET 组于不同的时间进行 开关操作以获得其他的好 处，对此我们将在本课程 的稍后部分中加以讨论。
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直通改善
负载瞬态响应也可得益于多相方法。下图示出了一款 两相电路在经历与上面的单相实例中完全相同的负载 阶跃时所表现出的负载瞬态响应。
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输入电容器 - 1
在单相降压稳压器中，输入纹波 RMS 电流可按下式计算。
如下图所示，倘若我们运用多相方法，则将减低输入纹波 RMS 电流。在两 相电路中，输入纹波电流的大小为单相解决方案的一半，这是因为每相仅传 输一半的负载电流。当然，每个时钟周期多了一个电流脉冲。
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选择多相级
这里，运用多相方法具有明显的技术优势。我们先来 看一下组合输出纹波（总纹波）电流与每个个别电感器 中的纹波电流（相位纹波）之间的关系。
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电感器尺寸改善
在某些给定点上，可能比实现零纹波更重要的是“输出纹波电流总是 小于各相位纹波电流”这一事实。这意味着我们可以用多个尺寸较小、 但电感值相同的电感器来安全地取代单相电感器，而不会增加输出 纹波电流。
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采用 COT 的多相优势实例
一种典型的最坏情况负载瞬变发生在 CPU 电流从满负载迅速切换至无负载之 时，这将造成控制环路立即将占空比减小到零，并把存储在电感器中的能量转储 到输出电容器中。 下方位于左侧的图示出了发生在单相降压稳压器中的此类负载瞬变（其中的电 感器为 0.5uH ）。显然，电感器中存储的能量越少，需要的电容器也就越少。下 方居右的图给出的是单相电路的功率级，而且控制方案为迟滞电流模式。
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谢谢！
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降压稳压器架构
4.2 多相降压稳压器
多相概述
多相降压稳压器的概念是把多个降压稳压器并联起来，但让它们以一种 交错的方式运作。见下图。三相同步降压稳压器其每相具有相同的组件， 但开关动作则异相 120°。
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功率 FET 及其驱动器 - 1
驱动器能以多快的速度接通和关断功率 FET 会影响 开关损耗。介绍了采用多个驱动器来驱动分为不同相 位的 FET 的概念，并阐明了这样做的好处。
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功率 FET 及其驱动器 - 2
理论上，我们可以采用与功 率 FET 相同的技巧，就是 分配。我们可以利用一个单 独的同步驱动器去驱动每 一对功率 FET（上端和下 端）。 这种方法的问题是不能保 证两组功率 FET 恰好在相 同的时间执行开关操作。因 此，会有发生直通问题的隐 忧。
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功率 FET 及其驱动器 - 3
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死区时间
• 固定死区时间
– 关断与接通之间的固定时间 – 在 MOSFET 的选择上无灵活性
• 自适应死区时间
– 高端 MOSFET 仅在低端 (LS) MOSFET 关断时才接通， 反之亦然 – 在 MOSFET 的选择上拥有灵活性
• 必需检测两个 MOSFET 的关断
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控制模式
• 电压模式控制 (VMC) • 电流模式控制 (CMC)
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LM3475/85 – 与陶瓷电容器配合工作
• 期望
– 使用陶瓷电容器
• 挑战
– 陶瓷电容器具源自文库非常 低的 ESR – 造成输出电压纹波移相 90° ， 因而引致低工作频率和 输出纹波的增加
• 解决方案
– 增设一个与陶瓷输出电容器相串联的低值电阻器，以提供一个 ESR 值 – 虽然有悖于直观的原则，不过这种组合可提供针对输出电压纹 波的高度准确的控制
VIN
Power Stage
VFB RF1 RF2
• 劣势
– 在反馈比较器上需要纹波 – 对输出噪声很敏感 （因为它转换为反馈纹波）
Error Comparator
L C
VOUT RL
RC (ESR)
Ripple is needed to properly switch the comparator!!
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电流模式控制 优点和缺点
• 优点
– – – – 电源设备增益可提供一种单极点滚降 具有抵消输入扰动能力 逐周期电流限制 均流
• 缺点
– 噪声 – 要求最小导通时间 – 需要检测电阻器
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迟滞模式控制 优点和缺点
• 优点
– 超快的瞬态响应（在高耗电负载中优先使用） – 无需相位补偿；换句话说，迟滞模式是一种大信号控制
• 缺点
– 容易受到噪声的影响 – 对PCB布局非常敏感 – 开关频率偏差大；要求具有一定的纹波
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控制模式总结
控制模式 电压模式 优点
• 稳定的调制/对噪声不太敏感 • 单一反馈路径 • 能在很宽的占空比范围内工作
缺点
• • • • • 环路增益与 VIN 成正比 双极点 LC 常常需要Type III 补偿 CCM 与 DCM 的差异 – 补偿难题 对输入电压变化的响应速度缓慢 必须单独实施电流限制
I = V t L
输出电压纹波由电感器和 COUT ESR 决定
VOUT(DC)
输出电压
参考门限
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输出纹波电压细节
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LM3485 架构
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LM3485 迟滞控制器
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计算开关频率
在大多数场合，开关频率都是由源于输出电容器 ESR 的输出纹波电压 (∆VOUT) 决 定。 ∆VOUT 的幅值由下面的两个公式说明：
开关频率几乎是恒定的；变化是由于 RDS-ON 、二极管 电压和 RON 引脚输入阻抗的影响造成的 注：一个连接在 VIN 和 RON 之间的电阻器负责设定导 通时间
– 峰值电流模式控制 (PCMC) – 谷值电流模式控制 (VCMC) – 平均电流模式控制 (ACMC)
• 迟滞模式控制 (HMC)
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电压模式控制 优点和缺点
• 优点
– 稳定的调制/对噪声不太敏感 – 单一反馈路径 – 能在很宽的占空比范围内工作
• 缺点
– – – – – 环路增益与 VIN 成正比 双极点 LC 常常需要 Type III 补偿 CCM 与 DCM 的差异 – 补偿难题 对输入电压变化的响应速度缓慢 必须单独实施电流限制
降压稳压器架构
4.1 概述
降压型开关转换器
同步 非同步
（内置 FET）稳压器
LM3102 LM22676
（外置 FET）控制器
LM2747
LM3489
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非同步降压转换器
S
Is
IL
L +
Id Vin D C
Ic
Vout
Io
∆IL, Ton = ∆IL, Toff ∆IL, Ton = (Vin – Vout ) * Ton / L ∆IL, Toff = -Vout * Toff / L
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均流 - 2
就多相降压稳压器而言，存在着一种非常相似的机理。 下图示出了一种电压模式两相同步降压。
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均流 - 3
针对这种均流问题的解决办法是：检测每相中的电流并使用某种类型的反馈 以强制检测电流相等。传统的峰值电流模式控制可自动实现此目标，并保证 电流的逐周期匹配。
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总结
多相降压稳压器的概念就是并联多个降压稳压器，并使其以一种交 错的方式运作。下面的三相同步降压稳压器其每相具有相同的组
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输入电容器 - 2
下图示出了占空比与输入纹波 RMS 电流和输出电流 之比的关系。
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均流 - 1
均流是一个潜在的问题，其在单相解决方案中并不令人担忧。而在某 些应用中，它也是 IC 行业汲取的一个教训。 在先前的讨论中，我们假设在多相稳压器中所有的相位将传输大小 完全相同的电流，换句话说就是理想的负载电流均分。事实上，这种 假设并不成立。其情形类似于把两个相同类型的电池并联起来并预 期它们将供应相同份额的电流。
需要纹波以正确 地完成比较器的 开关切换！
最简单和最快的拓扑，但频率易变！
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迟滞稳压器波形
VSW
降压开关在一个由 VIN 和 RON 决定的导通时间里保 持导通状态 VIN tON
-0.6V
tOFF
SW 引脚
IL 电感器的电流纹波由 VIN、 VOUT、导通时间和 L 决定
IOUT
VOUT
电感器电流
把这两个公式合并之后可生成一个用于计算开关频率的表达式。注：如果使用了一个 加速电容器，则该公式分母中被画了圆圈的那一项就变为 1，这意味着开关频率值将 增加。
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迟滞控制的优缺点
优点 缺点 • 迟滞稳压器不具备补偿电路，因此需 • 相比于采用慢速反馈环路的其他控制 器类型（如 PWM 电压和电流模式）， 要一种能在整个输入电压、输出电压、 温度和负载电流范围内提供高准确度 迟滞控制器具有卓越的负载电流瞬态 的设计 响应特性 • 这种控制器可在瞬变发生的那个周期 之内对瞬变做出响应，并把对应的 FET 保持于一种导通状态，直到输出 电压恢复至所需的 DC 电平为止 • 这样就只需采用极少的大容量输出电 容器，从而节省总体系统成本 • 如果给位于微处理器封装周围的稳压 器的输出端增设额外的电容器，那么 这种补偿会进一步复杂化
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LM3475/85 采用电解电容器 COUT
• 该曲线图示出了输出纹 波和开关节点电压 • 工作频率为 1.43MHz • 反馈网络未采用 CFF 加速电容器
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LM3475/85 采用陶瓷电容器 COUT
• 采用一个几乎没有 ESR 的陶瓷输出电容器的例子 • 工作频率出现下降且不能 使用前述的公式来计算 • 原因：输出纹波从开关动 作移相 90°
件，但开关动作则异相 120°。
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谢谢！
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降压稳压器架构
4.3 迟滞降压稳压器
迟滞降压稳压器架构
M o d u la t o r +
V IN
P o w e r S ta g e
+ E rro r C o m p a ra to r R F1 R F2 V REF L C RC (E S R ) V OUT RL
电流模式
• • • •
电源设备增益可提供一种单极点滚降 具有抑制输入扰动能力 逐周期电流限制 均流
• 噪声 • 要求最小导通时间 • 需要检测电阻器 • 容易受到噪声的影响 • 对PCB布局非常敏感 • 开关频率偏差大；要求具有一定的纹波
迟滞模式
• 超快的瞬态响应（在高耗电负载中优先 使用） • 无需相位补偿；换句话说，迟滞模式是 一种大信号控制
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与陶瓷电容器配合工作
另一种方法
通过增设三个元件（示意图中用圆圈框出），我们可提供与开关 动作同相的 AC 反馈。100pF 电容器用于对任何有可能引致 FB 比较器不当触发的高频边缘噪声进行旁路。这种方法具有 多项优势。
12
谢谢！
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降压稳压器架构
4.4 恒定导通时间 (COT) 降压稳压器