用仿纹波模式实现降压转换

用仿纹波模式实现降压转换

20年前，简单易用的集成开关稳压器的问世带来了电源管理技术革命。此前，大多数的应用都是采用线性稳压器作为电源电压以及复杂的专有开关式电源。而今，美国国家半导体著名的Simple Switcher系列ＤＣ－ＤＣ稳压器已被广泛应用在各式各样的设计中。在实现Simple Switcher电源的环路稳定性方面，有两个方法可以采用：一是固定的内部补偿，但这个方法会影响设计人员选择输出级电感器和电容器时的自由度；二是从外部作补偿，这方法虽然可带给设计人员较大的电源级元件选择灵活性，但却会使设计过程变得更为复杂。

一种全新的控制方式 – 仿纹波模式(ERM)现已应用在Simple Switcher最新的降压稳压器产品上，可以有效的简化电源设计。设计人员无需再担忧稳定性方面的问题，包括控制环路的补偿和输出纹波电压的高低。

如何驾驭滞后模式转换器

与电压模式控制和电流模式控制的架构比较，滞后模式控制无需使用补偿组件。因此，从定义上看滞后模式转换器的控制环路是不稳定的。

在这种稳压器中，输出电压会被保持在两个滞后阈值之内。当输出电压下跌至阈值以下时，一个全新的开关开启周期便会立刻被触发，直至到达了滞后比较器的高阶阈值，那周期便会终结。这个控制方式事实上非常简单，因为当中无需任何的振荡器和控制环路管理。可是，这种设计有一个缺点，就是经常需要反馈电压纹波来进行修正。假如采用很低等效串联电阻(ESR)的中等尺寸电容器(例如是陶瓷类电容器)来过滤输出电压，输出纹波虽然可以很低，但不可以很准确地达到滞后阈值。事实上，这些具备极低ESR的电容器所看到的电压纹波，会被相位位移到开关节点的真正开启和关闭时间。在一个滞后模式控制中，我们需要在开启时加大反馈电压，并在关闭时减少反馈电压。这样，我们才可从滞后比较器获得下一个周期的正确指令信号。然而，一个极低ESR的输出电容器会降低输出的纹波电压，而且掠去滞后电容器所需的纹波电压。基于上述原因，仿纹波模式(ERM)控制应运而生。

ERM(仿纹波模式)控制

仿纹波模式转换器用来感测关闭期间的感应电流，并将其中一些纹波电压以交流电压的形式注入到误差放大器的输入。这些纹波中的交流电份量带有正确的相位，能够为滞后模式控制产生出正确的开启和关闭时间。然而，滞后比较器输入中的交流电部份只会在滞后比较器等电路需要的地方才会出现，，不会出现在转换器的实际输出电压中。这个功能使得在滞后模式设计中可以采用非常低的ESR陶瓷输出电容器。市场上率先出现的具备此类功能的产品是美国国家半导体的LM3100、LM3102和LM3103 Simple Switcher稳压器。图1表示出一个设立了ERM控制的降压稳压器电路，其中的仿纹波模式的实现利用了一个位处二极管节点和误差放大器参考电压之间的电容器。


图1  采用仿纹波模式的降压滞后稳压器

如何量度输出电压的纹波

设计低输出电压纹波的电源时，最重要的是事前了解真正输出纹波电压的大小。当用示波器探针测量电源的输出电压时，会发现当中有两个交流电成份。其中一个成份通常被指是 “纹波”，它是由输出电容器的ESR或由电容器本身的纹波所引起的输出电压变化。纹波中的ESR成份一般都会比来自电容的较大，不过如果采用的是陶瓷输出电容器，那ESR的部份便会比电容的较少。图2表示出一个采用介质输出电容器的降压稳压器之输出纹波电压，在纹波电压方面，来自ESR的影响比来自电容的较大。图3则表示出另一个电路的输出纹波电压，该电路只采用一个ESR极低的陶瓷输出电容器。图中，大部份的纹波电压都是来自电容而非ESR，而纹波的波形像一个正弦波，而不是如图2般由ESR引起的电压转变。在两个波形图中，通道1是开关节点电压，而通道2则是在交流电模式下量度出来的输出电压。



图2  采用了较高ESR输出电容器后的输出纹波波形


图3  采用了较低ESR输出电容器后的输出纹波波形

图4表示出一个随意的测量结果，期间没有理会太多原本的测量设定。图中，我们看到在开关过渡时出现有很大的电压尖峰，远远大于真正的纹波波幅，但通常不当作是纹波电压。在这个例子中，这些尖峰的峰峰电压均超过1V，而这些尖峰其实是噪声尖峰，且大部份都已被测量设定量度出来。在功率FET的过渡期间会产生很高的频率，而在开关过渡时，电流会在几纳秒内来回从零切换，这时整片电源板都会感受到很大的di/dt变化。


图4  带有开关噪声的输出纹波电压

图5表示出LM3102评估板的测量结果，其中探针依附着输出电压。实现的方法是把探针尖夹在输出，并将一条5英寸长的高阻抗地线夹到电路板的接地。这条相对较长的地线会作用为一条天线，把电路板的di/dt 噪声吸收。

接着，我们进行同样的测量，只是移除用作天线的长地线，并用一条总线缆线缠绕着探针尖的接地，而且把它连接到一个与输出电压很近的接地，从而大幅地削减输出电压的尖峰。为了尽量缩减接地环路的尺寸，直接对设计上的输出电容器测量也不失为一个好主意。图6表示出把探针连到接地的测试装置，可以消除大部份的开关噪声。同样的测量技巧还应用在先前的图2和图3。


图5  随意测量装置的较长探针与接地连接


图6  很短的测量接地环路连接

要降低输出电压纹波图中的开关尖峰，一个简单的方法是开启示波器的带宽限制功能。在进行过以上的测量后，我们应该会对开启带宽限制很有信心。因为大部份看到的信号都是与测量有关，而不是输出电压上的真正电压尖峰。从图2到图4，示波器的带宽限制功能都被关闭。

垂手可得的低输出纹波电压

利用仿纹波模式来设计低输出电压纹波滞后模式稳压器其实非常容易。因为无需担忧环路补偿的问题，而且还可以选用陶瓷输出电容器可有效降低输出纹波电压。

当研究交流电输出电压时，最重要是将纹波和噪声区分。此外，所用的测量技术对读数的解译也非常重要。