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    降壓型開關電源的發展

    編輯:admin   瀏覽:173  時間:2022-11-01

    電源作為電子產品的動力中樞,其續航能力直接決定著電子產品的使用壽命。隨著集成電路制造工藝的不斷進步,數字電路的電源電壓一直下降,但系統的供電電源還是在較高的電位,因此必須靠降壓型電源來提供較低的供電電源。開關電源技術問世之前,線性電源作為各類電子產品的主要電源,能夠實現直流高電壓向直流低電壓的單向變換,適用于低壓差的電壓轉換和低負載電流的應用。要提高電子產品的性能,節約能源,關鍵是要解決電源的性能問題。由于開關電源具有功耗小、變換效率高等優良性能,加上生產成本低,已經逐漸取代了線性電源,在電子行業得以廣泛使用。

    開關電源發展之初,功率級多采用分立器件,應用簡單的異步整流技術,如圖(1)所示。圖(1)異步整流DCDC BUCK

    同步整流技術采用MOSFET代替整流二極管,由于MOSFET的導通電阻很低,整流器件的導通損耗大大降低,提高了轉換效率,同步整流技術尤其適宜應用在低電壓、大電流的場合。同步整流BUCK如圖(2)所示。圖(2)同步整流DCDC BUCK

    進入90年代中后期,隨著集成電路的發展,MOS分立元件集成到芯片中,DCDC BUCK整體性能大幅提高,同時降低了成本,顯示出強大的生命力。對于電流不是很大的BUCK, 功率級High Side MOS多采用PMOS,這樣控制電路簡單。而對于大電流BUCK,則改用經濟的NMOS,NMOS的柵電壓要通過自舉電路抬高,如圖(3)所示。圖(3)帶自舉電路的同步整流DCDC BUCK

    DCDC按控制環路可分為電壓模式控制(圖4)和電流模式控制(圖5)。*圖(4)電壓模式DCDC BUCK控制原理圖 *圖(5)電流模式DCDC BUCK控制原理圖

    電壓控制模式系統結構簡單,因其只有電壓反饋一個環路,動態響應慢,存在雙極點,補償復雜。電流模式控制在保留電壓控制模式的基礎上,又增加了一個電流反饋環,即存在電壓反饋外環和電流反饋內環的雙環控制系統。電流模式控制閉環響應快,單極點系統易于補償。但當占空比(D)大于50%時,易產生次諧波振蕩,各種諧波補償電路應運而生,彌補了不足,在很長一段時間,電流模式控制DCDC一直是電源的主流。

    受到摩爾定律的指引,半導體制程的線寬不斷縮小,智能手機、平板電腦和數碼相機等市場上的便攜式設備做得越來越輕薄,功能越來越強大。然而數碼產品所需電源電壓不斷下降,電流不斷增加,對電源性能的要求不斷提高,傳統PWM模式DCDC,已不能滿足市場需要。

    近些年,COT(Constant-On-Time)控制架構得以廣泛應用。COT架構的DCDC具有幾大優勢:

    1、控制電路簡單,不需要誤差放大器和電流采樣電阻。

    2、對負載的變化響應快速。

    3、輕載時仍有較高效率。輸出級電容的ESR(串聯等效電阻)自帶電感電流信息,只要其“信息”足夠(所產生紋波可以和電容紋波比擬)就可以作為電流檢測電阻使用,以實現只用輸出電壓就可以獲得電流模式控制[1] [2] [3]。在輸出電壓紋波要求不高的應用中,可以在電容上疊加一個電阻去產生這樣的紋波信號,如圖(6)中的R3。圖(6)COT應用電路

    通常用具有較高ESR的電容(電解電容,固態電容(OSCON),高分子有機半導體固體電容器(POSCAP))來實現這種紋波。受嚴格的輸出調整電壓規格限制,以及成本和尺寸壓縮的需要,電源設計者轉向成本更低,尺寸更小,ESR更低的陶瓷電容(ceramic)[1]。使用帶陶瓷電容的COT架構,就必須“造出”帶有電感電流信息的幅度足夠大的紋波,圖(7)為紋波產生電路,產生的紋波可由公式(1)計算得出[1]。圖(7)COT架構的DCDC BUCK紋波產生電路

    公式(1):V_(CX(PP))=(I_(L(PP))×L)/(R_X×C_X )

    與圖(6)同一款芯片的另一種應用,如圖(8)所示:為獲得較小的輸出紋波,不用R3,而用RA, CA產生了帶有足夠電感電流“信息”的紋波,加載在反饋電壓信號上。圖(8)采用紋波注入的最小紋波輸出應用電路

    思瑞浦研發的TPP2020 DCDC BUCK,采用COT技術,輸入電壓最高可達20V,輸出電壓5V到1V,輸出電流可達3A,效率最高可達93%,其應用電路如圖(9)所示。

    圖(9)TPP2020應用電路

    DCDC BUCK隨著微電子技術的發展以及電子產品電源的需要而不斷創新,從異步整流到同步整流,功率器件從片外分立MOS到片內集成大功率MOS,從單環電壓模式到雙環電流模式,從復雜環路和補償電路到簡單的COT架構(誤差放大器,補償電路,甚至振蕩器都可以不要),從PWM到PFM操作……如今COT架構更是以其無以倫比的優勢在電源領域得以大力發展。未來,還會有新的技術不斷創造出來、融入進來,使我們的DCDC BUCK性能更加卓越…

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