高效、低紋波DCS-Control，實現(xiàn)無縫PWM/節(jié)能轉(zhuǎn)換

作者：Chris Glaser，德州儀器 (TI) 應用工程師

TI 推出了采用DCS-Control™技術的同步降壓轉(zhuǎn)換器，它是一款可無縫轉(zhuǎn)換至節(jié)能模式的直接控制調(diào)節(jié)拓撲。這種拓撲融合了電壓模式、電流模式以及遲滯控制拓撲的眾多優(yōu)點，并同時實現(xiàn)順滑轉(zhuǎn)入節(jié)能模式。本文為您介紹DCS-Control拓撲的工作原理，展示其在節(jié)能模式下的低輸出電壓紋波、優(yōu)異的瞬態(tài)響應以及無縫模式轉(zhuǎn)換性能。

基本工作原理
DC-Control拓撲基本上是一種遲滯拓撲。但是，它整合了幾種電路，同時擁有電壓模式和電流模式拓撲的優(yōu)點。圖1顯示了DC-Control拓撲的基本結構圖（取自TI的TPS62130降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品說明書）。1

圖1 DCS-ControlTM拓撲結構圖

DC-Control拓撲的輸入共有兩個：反饋（FB）引腳和輸出電壓檢測（VOS）引腳。大多數(shù)DC/DC轉(zhuǎn)換器的FB引腳輸入表現(xiàn)均相同。它是誤差放大器或者運算放大器的高阻抗輸入，其目的是把FB引腳的誤差信號輸出至某個內(nèi)部基準電壓VREF。與其它DC/DC轉(zhuǎn)換器中一樣，誤差放大器提供精確的輸出電壓調(diào)節(jié)。在輸出電壓（FB引腳）和接地之間的分壓器，設置輸出電壓的設定點。就一些器件而言，例如：TI的TPS62131等，通過一個VOS引腳分壓器內(nèi)部連接FB引腳。這樣便可設置輸出電壓，減少2個外部組件，并同時降低FB引腳的敏感度。在誤差放大器周圍包含相應的補償，以確保其穩(wěn)定性。

在輸出電容，VOS引腳直接連接至轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。與FB引腳一樣，它是控制環(huán)路的高阻抗輸入。與FB引腳不同的是，VOS引腳進入某個專有電路，形成電壓斜升。之后，把該電壓斜升與誤差放大器的誤差信號比較，其同電壓模式和電流模式控制的做法一樣。VOS引腳到比較器的通路，讓DCS-Control拓撲擁有快速的遲滯響應。VOS的輸出電壓變化直接饋給比較器，并立即對器件的運行產(chǎn)生影響。正因如此，VOS引腳對噪聲敏感；因此，輸出電壓從輸出電容器返回至器件VOS引腳的路線應盡可能地短和直。VOS引腳電路周圍的相應補償，目的是確保穩(wěn)定性。

之后，比較器向控制電路輸出一個信號，告訴它是否向柵極驅(qū)動器輸出一個開關脈沖，以控制高側MOSFET。比較器與計時器電路協(xié)同工作，同時提供最迅速的負載瞬態(tài)響應和經(jīng)過調(diào)節(jié)的開關頻率。

根據(jù)VOUT與VIN的比率，計時器設置一個能夠擴展比較器“導通”時間控制的最小“導通”時間。器件產(chǎn)品說明書通常會使用一個方程式說明計時器設置的最小“導通”時間，例如：

在這個基于TPS62130的舉例中，目標開關時間為400ns；因此，開關頻率為其倒數(shù)，即2.5MHz。由于VOUT/VIN因素，調(diào)節(jié)后開關頻率維持在輸入和輸出電壓范圍，其根據(jù)某個降壓轉(zhuǎn)換器的理想占空比調(diào)節(jié)最小“導通”時間。因此，“導通”時間方程式還可寫為 ，其準確定義了所有降壓轉(zhuǎn)換器的“導通”時間。

低側MOSFET控制較為簡單。在高側MOSFET關閉以后，低側MOSFET開啟，并有效地使電感電流斜降。當電感電流衰減至零，或者比較器讓高側MOSFET再次開啟時，低側MOSFET關閉。施加相應的死時間，以避免MOSFET出現(xiàn)擊穿電流。

節(jié)能模式
DCS-Control拓撲的一個關鍵組成部分是其節(jié)能模式。一般而言，大多數(shù)節(jié)能模式均在低負載電流時啟用，其通過跳過開關脈沖和降低器件的電流消耗（靜態(tài)電流）來提高轉(zhuǎn)換效率。跳過開關脈沖讓器件工作在非連續(xù)導電模式（DCM）下，消除負電感電流（從輸出端流向輸入端），如若不然，它會出現(xiàn)在輕負載條件下。這類電流只會破壞前面開關周期的工作，并帶來更多的損耗，從而降低效率。降低靜態(tài)電流可以提高超輕負載下的效率，《參考文獻2》中對此有詳細的說明。

DCS-Control拓撲的節(jié)能模式非常簡單。它的實現(xiàn)電路與前面所述一樣：從節(jié)能模式轉(zhuǎn)換至PWM模式期間，在兩個不同控制模式之間沒有開關操作。其它一些控制拓撲會在一種節(jié)能模式控制方法和另一種PWM模式方法之間進行開關切換。這樣做，在轉(zhuǎn)換期間可能會出現(xiàn)電子脈沖干擾和隨機噪聲。本文后面的“無縫轉(zhuǎn)換”將詳細說明這種現(xiàn)象。
DCS-Control拓撲使用一種簡單的方法實現(xiàn)其節(jié)能模式：如果比較器不需要開關脈沖，則不產(chǎn)生脈沖。因此，如果電感電流衰減至零時輸出電壓高出其設置點（由誤差放大器測得），則器件不輸出一個新的開關脈沖；反之，降低其靜態(tài)電流并進入節(jié)能模式。除非誤差放大器告訴比較器，輸出電壓已降至其設置點，現(xiàn)在應該升壓，否則它將一直等待。之后，器件輸出一個持續(xù)最小“導通”時間的開關脈沖，把輸出電壓升高至足以保持在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的程度。節(jié)能模式下，這些電路的最小傳播延遲帶來高效率和良好調(diào)節(jié)的輸出電壓。

持續(xù)最小“導通”時間的單個開關脈沖，把最小能量傳輸至輸出端，從而實現(xiàn)最小輸出電壓紋波。隨著輕負載電流增加，單次脈沖更加靠近，并增加開關頻率至音頻帶之上，其速率高于其它節(jié)能拓撲。其它拓撲在節(jié)能模式下使用數(shù)組或者連續(xù)脈沖，導致脈沖期間輸出端的能量更大。由于輸出電壓降回其設置點需要花費更長的時間，因此脈沖的間隔更大，從而使有效頻率在音頻范圍內(nèi)的時間更長。DCS-Control的單脈沖構架，讓其可以工作在音頻帶以上，并且負載電流小于其它拓撲?！秴⒖嘉墨I3》介紹了一個節(jié)能模式噪聲性能的案例研究。

當負載增長到一定程度、單次脈沖之間沒有時間間隔時，在比較器告訴高側MOSFET再次開啟以前電感電流不會返回零。DCM邊界處出現(xiàn)這種負載狀態(tài)，屆時，轉(zhuǎn)換器退出節(jié)能模式，進入PWM模式。

節(jié)能模式的輸出電壓紋波
組合使用節(jié)能模式（最小“導通”時間的單次脈沖）和達到零電感電流時進入PWM模式，讓DCS-Control拓撲比其它拓撲更加靈活，從而實現(xiàn)更加簡單的配置，最終滿足系統(tǒng)要求。例如，思考一個12V輸入和3.3V輸出的系統(tǒng)在節(jié)能模式下的輸出電壓紋波情況。TI的TPS62130評估模塊（EVM）工作在2.5MHz設置下，用于圖2來演示如何通過增加外部電感和輸出電容減少這種紋波。無負載狀態(tài)用于顯示節(jié)能模式下的極端輸出電壓紋波。

圖2 TPS62130的輸出電壓紋波


圖2a顯示了已經(jīng)很低的26mV峰值到峰值輸出電壓紋波，即3.3V輸出電壓的0.8%，其使用默認電路得到。由于在每個開關脈沖期間傳輸?shù)哪芰肯嗤?，因此增加輸出電容可以減少輸出電壓紋波。輸出電容更高，固定能量帶來的電壓紋波也就越少（圖2b）。由于“導通”時間不變，因此增加電感可以降低開關脈沖內(nèi)達到的峰值電流。低峰值電流存儲的能量也更少（E= ½ × L × I2），因此傳輸至輸出的能量也更少，從而再一次降低了電壓紋波（圖2c）。注意，每個電路的“導通”時間相同，因為其為器件的內(nèi)部固定值，無法通過外部組件改變。

工程師還可以設置通過調(diào)節(jié)電感進入節(jié)能模式的負載電流，其把邊界更改為DCM。更大的電感帶來更小的電感電流紋波，其意味著，電感電流保持在零以上，導致更低的輸出電流電平。它可以讓節(jié)能模式的進入點和輸出電壓紋波滿足各種特殊需求，從而讓這種拓撲可以用于各種應用中，包括那些對噪聲高度敏感的應用，例如：醫(yī)療或者工業(yè)應用中的低功耗無線發(fā)射器和接收器（參見《參考文獻5》）、消費類設備的便攜式電源以及固態(tài)硬盤電源。

瞬態(tài)響應
由于DCS-Control拓撲通過VOS引腳檢測實際輸出電壓，因此其非常適合于對負載瞬態(tài)做出響應。該信號直接饋給比較器，并不通過帶寬限制誤差放大器傳輸，不影響“導通”時間。因其遲滯特性，DCS-Control拓撲的負載瞬態(tài)響應更迅速，而器件100%占空比又進一步增強了它的這種能力。

在這種模式下，只要輸出電壓恢復需要，器件便可以讓高側MOSFET保持開啟。換句話說，比較器的“導通”時間要求得到完全滿足。圖3顯示了TPS62130 EVM通過其100%占空比對無負載到1A負載瞬態(tài)做出響應的情況。在瞬態(tài)開始和高側MOSFET開啟時之間的300ns時間延遲意味著，瞬態(tài)響應幾乎完全受大信號問題（電感）的限制，而非小信號問題（控制拓撲）。因此，DCS-Control拓撲并非是器件瞬態(tài)響應能力局限的主要方面；在使用特定輸出濾波器組件時，它實現(xiàn)了優(yōu)異的瞬態(tài)響應。

圖3 瞬態(tài)響應期間TPS62130 EVM的100%占空比模式


無縫轉(zhuǎn)換
在前面，我們注意到，在DCS-Control拓撲中，僅一個電路控制PWM和節(jié)能模式。它實現(xiàn)了兩種控制模式之間的迅速且無縫的轉(zhuǎn)換。另外，當電路的工作狀態(tài)接近兩種模式之間的邊界時，它仍然擁有更高的性能。由于不存在模式開關，因此便沒有輸出脈沖干擾。

圖4把TPS62130的模式轉(zhuǎn)換性能同使用另一種控制拓撲的器件進行了比較。在類三角模式下，負載電流（綠色表示的底部線條）范圍為10mA到1A。我們同時觀察到了擾動或者干擾電感電流和輸出電壓紋波。

圖4 PWM模式到節(jié)能模式轉(zhuǎn)換


對于使用DCS-Control拓撲的TPS62130來說，圖4表明，相比使用另一種控制拓撲的器件，它的輸出電壓和電感電流波形都更加平滑。在所有負載電流下，TPS62130輸出的電壓紋波都更小。更負載時紋波稍有增加；但是，由于器件進入節(jié)能模式，這種紋波增加遠低于使用另一種拓撲的器件。最后也是最重要的一點是，隨著負載增加輸出電壓下降較明顯（在一些有限工作條件下，例如：負載斜升），而使用另一種拓撲的器件則退出節(jié)能模式，進入PWM模式。很明顯，這是負載或者系統(tǒng)不希望出現(xiàn)的情況，而DCS-Control拓撲可以避免這種情況的出現(xiàn)。

結論
DCS-Control拓撲相比其它控制拓撲有了巨大的改進，它擁有優(yōu)異的瞬態(tài)響應，并可無縫地轉(zhuǎn)換至節(jié)能模式。它的單脈沖節(jié)能模式具有較低的輸出電壓紋波，并提高了各種終端設備和系統(tǒng)的性能，包括噪聲敏感型應用。