為滿足市場需求，系統(tǒng)設(shè)計人員正在改進多個領(lǐng)域的電力轉(zhuǎn)換過程，包括更高效的開關(guān)式拓撲、封裝創(chuàng)新和以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為基材的新型半導(dǎo)體器件。

 

開關(guān)式轉(zhuǎn)換器拓撲的改進

 

為充分利用可用電力，人們越來越多地采用基于開關(guān)技術(shù)而不是線性技術(shù)的設(shè)計。開關(guān)式電源（SMPS）的有效功率高達90%以上。這延長了便攜式系統(tǒng)的電池壽命，降低了大型設(shè)備的電力成本，并且可以省下以前用于散熱部件的空間。

 

轉(zhuǎn)至開關(guān)式拓撲有一定的缺點，其更復(fù)雜的設(shè)計要求設(shè)計人員具有多元化的技能。設(shè)計工程師必須熟悉模擬和數(shù)字技術(shù)、電磁學(xué)及閉環(huán)控制。印刷電路板（PCB）的設(shè)計人員必須更加注意電磁干擾（EMI），因為高頻開關(guān)波形會使敏感的模擬電路和射頻電路產(chǎn)生問題。

 

在晶體管發(fā)明之前，就已經(jīng)有人提出了開關(guān)式電力轉(zhuǎn)換的基本概念：例如，1910年發(fā)明的凱特式感應(yīng)放電系統(tǒng)，其使用了機械振動器來實現(xiàn)汽車點火系統(tǒng)的反激式升壓轉(zhuǎn)換器。

 

大多數(shù)標準拓撲已經(jīng)存在了幾十年，但這并不意味著工程師不會調(diào)整標準設(shè)計來適應(yīng)新的應(yīng)用，特別是控制回路。標準架構(gòu)使用固定頻率，在不同的負載條件下，通過反饋部分輸出電壓（電壓模式控制）或控制感應(yīng)電流（電流模式控制）來保持恒定的輸出電壓。設(shè)計人員已經(jīng)在不斷改進，以克服基本設(shè)計的缺陷。

 

圖1：電壓模式的降壓轉(zhuǎn)換器拓撲（資料來源：Texas Instruments）

 

圖1是基本閉環(huán)電壓模式控制（VMC）系統(tǒng)的框圖。功率級由電源開關(guān)和輸出濾波器組成。補償塊包括輸出電壓分壓器、誤差放大器、參考電壓和回路補償元件。脈寬調(diào)制器（PWM）使用比較器將誤差信號與固定斜坡信號進行比較，生成與誤差信號成比例的輸出脈沖序列。

 

雖然VMC系統(tǒng)的不同負載皆有嚴格的輸出規(guī)則，且容易與外部時鐘同步，但標準架構(gòu)有一些缺陷?；芈费a償降低了控制回路的帶寬，放緩了瞬態(tài)響應(yīng)的速度；誤差放大器則增加了作業(yè)電流，降低了效率。

 

在不需要回路補償?shù)那闆r下，恒定導(dǎo)通時間（COT）控制方案提供了良好的瞬態(tài)性能。COT控制使用比較器來比較調(diào)節(jié)后的輸出電壓和參考電壓：當(dāng)輸出電壓小于參考電壓時，就會生成一個固定導(dǎo)通時間脈沖。在低占空比條件下，這會導(dǎo)致開關(guān)頻率非常高，因此自適應(yīng)COT控制器便會生成一個隨輸入和輸出電壓而變化的導(dǎo)通時間，這在穩(wěn)定狀態(tài)下可以保持頻率幾乎不變。

 

Texas Instrument的D-CAP拓撲是對自適應(yīng)COT方法的改進：D-CAP控制器在反饋比較器的輸入中增加了一個斜坡電壓，通過減少應(yīng)用中的噪聲頻帶，斜坡改善了抖動性能。圖2是COT和D-CAP系統(tǒng)的比較。

 

圖2：標準COT拓撲（a）和D-CAP拓撲（b）的比較（資料來源：Texas Instruments）

 

針對不同的需求，D-CAP拓撲有幾種不同的變體。例如，TPS53632半橋PWM控制器使用D-CAP+架構(gòu)，主要用于高電流應(yīng)用，可以在48V到1V的POL轉(zhuǎn)換器中驅(qū)動高達1MHz的功率級，效率高達92%。

 

不同于D-CAP，D-CAP+反饋環(huán)增加了一個與感應(yīng)電流成比例的部件，用于實現(xiàn)精確的下垂控制。在各種線路和負載條件下，增加的誤差放大器都可以提升DC負載的準確性。

 

控制器的輸出電壓通過內(nèi)部DAC設(shè)置。當(dāng)電流反饋達到誤差電壓水平時，這個周期就會開始。此誤差電壓與DAC設(shè)定點電壓和反饋輸出電壓之間經(jīng)過放大的電壓差相對應(yīng)。

 

改善輕負載條件下的性能

 

對于便攜式和可穿戴設(shè)備，需要改善輕負荷條件下的性能，以延長電池壽命。許多便攜式和可穿戴應(yīng)用在大部分時間處于低功耗的“暫時休眠”或“睡眠”待機模式，只在響應(yīng)用戶輸入或進行定期測量時才會激活，因此在待機模式下，盡量減少功耗是最優(yōu)先考慮的事情。

 

DCS-Control™（無縫轉(zhuǎn)換至節(jié)能模式的直接控制）拓撲綜合了三種不同控制方案（即遲滯模式、電壓模式和電流模式）的優(yōu)點，以改善輕負載條件下的性能，特別是過渡至或離開輕負載狀態(tài)時。該拓撲支持中型和重型負載的PWM模式，以及用于輕負載的省電模式 (PSM)。

 

在PWM操作過程中，系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓，以其額定開關(guān)頻率運行，并控制頻率變化。如果負載電流降低，轉(zhuǎn)換器就會切換到PSM以保持高效率，直到降至非常輕的負載。在PSM下，開關(guān)頻率隨負載電流線性降低。這兩種模式均由單個控制塊進行控制，因此從PWM到PSM的轉(zhuǎn)換是無縫的，不會影響輸出電壓。

 

圖3是DCS-Control™框圖。控制回路獲取關(guān)于輸出電壓變化的信息，并將其直接反饋給快速比較器。比較器設(shè)置開關(guān)頻率（作為穩(wěn)態(tài)運行條件的常數(shù)），并對動態(tài)負載變化提供即時響應(yīng)。電壓反饋回路可以精確地調(diào)節(jié)DC負載。經(jīng)過內(nèi)部補償?shù)恼{(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)通過小型外部組件和低ESR電容器便可實現(xiàn)快速穩(wěn)定的操作。

 

圖3：DCS-Control™拓撲在TPS62130降壓轉(zhuǎn)換器中的實現(xiàn)（資料來源：Texas Instruments）

 

TPS6213xA-Q1同步開關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器基于DCS-Control™拓撲，針對高功率密度的POL應(yīng)用進行了優(yōu)化。典型的2.5MHz開關(guān)頻率允許使用小型電感器，并能提供快速瞬態(tài)響應(yīng)和高輸出電壓精度。TPS6213可以在3V到17V的輸入電壓范圍內(nèi)操作，并且可以在0.9V和6V的輸出電壓之間輸出高達3A的連續(xù)電流。

本文轉(zhuǎn)載自貿(mào)澤電子設(shè)計圈。

 

 

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