為家庭和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的寬帶調(diào)制解調(diào)器、路由器和網(wǎng)關(guān)配備合適的電源的3個(gè)技巧

1.前言

為家庭和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的寬帶調(diào)制解調(diào)器、路由器和網(wǎng)關(guān)配備無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn) (AP) 功能正在經(jīng)歷爆炸式增長(zhǎng)。圖 1 顯示了這樣的 Wi-Fi® 網(wǎng)絡(luò)。隨著市場(chǎng)的不斷增長(zhǎng)，此類(lèi)設(shè)備中使用的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器必須滿(mǎn)足多項(xiàng)要求。

圖 1：典型的住宅或小型辦公室 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)

2.選擇正確的開(kāi)關(guān)頻率

第一個(gè)要求是至少 1.2MHz 的開(kāi)關(guān)頻率。圖 2 顯示了無(wú)線(xiàn) AP 的示意圖。為 Wi-Fi 核心芯片供電的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)影響該 Wi-Fi 調(diào)制解調(diào)器的誤差矢量幅度 (EVM)，從而降低通信質(zhì)量。幸運(yùn)的是，標(biāo)準(zhǔn) Wi-Fi 芯片組鎖相環(huán) (PLL) 的頻率響應(yīng)可用作截止頻率約為 1MHz 的低通濾波器。

實(shí)驗(yàn)表明，使用高頻 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以最大限度地減少這種 EVM 干擾。大多數(shù)無(wú)線(xiàn) AP 芯片組制造商，如高通和博通，建議最低開(kāi)關(guān)頻率高于 1.2MHz，并保留一些余量。

圖 2：無(wú)線(xiàn) AP 示意圖

為了滿(mǎn)足最低頻率要求，我們可以使用基于電流模式控制的轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器通常有一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)同步其操作。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)（例如 1.4MHz，容差為 ±200kHz）并不是很有挑戰(zhàn)性。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)性能適中。有時(shí)，為了滿(mǎn)足 Wi-Fi 系統(tǒng)的快速負(fù)載瞬態(tài)要求，我們必須使用更大的輸出電容，這會(huì)增加系統(tǒng)總成本。

3.加速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

第二個(gè)要求是更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。Wi-Fi 模塊中放大器的功耗在數(shù)據(jù)收發(fā)和空閑狀態(tài)下有很大差異，狀態(tài)變化可能非常快。這對(duì)電源解決方案的負(fù)載瞬態(tài)性能提出了更高的要求。

我們可以選擇具有恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 模式的轉(zhuǎn)換器，該模式以其更快的環(huán)路響應(yīng)而聞名。不幸的是，COT 轉(zhuǎn)換器中沒(méi)有內(nèi)部時(shí)鐘；轉(zhuǎn)換器只是根據(jù)輸入和輸出電壓為高端功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 生成適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通時(shí)間，以保持偽恒定開(kāi)關(guān)頻率。COT 轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率隨著輸入和輸出電壓的變化而變化很大。設(shè)計(jì)具有相對(duì)嚴(yán)格頻率容限要求的 COT 轉(zhuǎn)換器非常困難。

4.使用頻率鎖定

我們需要一種高頻、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，它具有像 COT 轉(zhuǎn)換器一樣的快速負(fù)載瞬態(tài)性能，但也可以像電流模式轉(zhuǎn)換器一樣保持相對(duì)恒定的開(kāi)關(guān)頻率。

圖 3 說(shuō)明了一種提議的解決方案，該解決方案采用 D-CAP3? 控制模式并實(shí)施專(zhuān)有的鎖頻功能，以實(shí)現(xiàn)像電流模式設(shè)備一樣的恒定頻率。

圖 3：基于 D-CAP3 控制模式的轉(zhuǎn)換器的框圖

與傳統(tǒng)的 COT 控制模式相比，我們可以通過(guò)該解決方案實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)好處：

· 轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率與參考時(shí)鐘頻率進(jìn)行比較?；谠摻Y(jié)果，單觸發(fā)塊產(chǎn)生的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行調(diào)整以將開(kāi)關(guān)頻率保持在相對(duì)較窄的變化范圍內(nèi)。

· 誤差放大器消除了由輸出電壓紋波幅度引起的直流電壓誤差。這種直流誤差通常存在于傳統(tǒng)的 COT 控制模式轉(zhuǎn)換器中。

· 與在 COT 轉(zhuǎn)換器中使用輸出電壓的紋波不同，基于 D-CAP3 控制模式的轉(zhuǎn)換器將生成內(nèi)部紋波信號(hào)來(lái)模擬電感電流紋波，從而無(wú)需在輸出電容器上使用等效串聯(lián)電阻即使沒(méi)有輸出電壓紋波，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。

頻率鎖定功能可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)恒定的開(kāi)關(guān)頻率。如果內(nèi)部參考時(shí)鐘設(shè)置為1.4MHz，在量產(chǎn)時(shí)可以輕松保證高于1.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率，滿(mǎn)足第一個(gè)要求。對(duì)于第二個(gè)要求，我們也可以輕松滿(mǎn)足快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，因?yàn)檫@是 DCAP-3 控制模式的固有優(yōu)勢(shì)。

5.理論到實(shí)踐

我們以 TI 的TPS563249  17V、3A 降壓轉(zhuǎn)換器為例，獲取測(cè)量結(jié)果。

圖 4 顯示了與電流模式轉(zhuǎn)換器相比，TPS563249  的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更快。為了進(jìn)行直接比較，電流模式轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為 1.4MHz，TPS563249  也是如此，并且交叉頻率設(shè)置為開(kāi)關(guān)頻率的十分之一左右。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都使用相同的 1.5μH/22μF 輸出電感電容濾波器。

圖 4：與基于電流模式的轉(zhuǎn)換器相比，TPS563249 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)更快

負(fù)載階躍從 1A 到 3A，壓擺率為 2.5A/μS；目標(biāo)輸出電壓為 3.3V。電流模式轉(zhuǎn)換器的峰峰值輸出電壓紋波為標(biāo)稱(chēng)輸出電壓的 4.3%，而TPS563249 僅為 2.3% 。

圖 5 和圖 6 顯示了TPS563249 的恒定開(kāi)關(guān)頻率與沒(méi)有頻率鎖定功能的通用 COT 轉(zhuǎn)換器相比。

圖 5：頻率變化與不同的 V IN (V OUT = 5V)

圖 6：頻率變化與不同的 V IN (V OUT = 1.05V)

TPS563249 相比于一般COT轉(zhuǎn)換器具有較小的變化范圍。正如我們所看到的，TPS563249 還保持一個(gè)嚴(yán)格的頻率范圍：無(wú)論輸入和輸出電壓如何變化，標(biāo)稱(chēng)頻率的變化都在 5% 左右。然而，對(duì)于一般的 COT 轉(zhuǎn)換器，在最壞情況下，頻率與標(biāo)稱(chēng)頻率相差約 35%。

通常，TPS563249 以恒定的 1.4MHz 開(kāi)關(guān)頻率工作，并在所有條件下消除 Wi-Fi 系統(tǒng)中的噪聲干擾。它還通過(guò)實(shí)施 D-CAP3 控制模式滿(mǎn)足 Wi-Fi 放大器的快速負(fù)載變化要求。

1.4MHz 的高開(kāi)關(guān)頻率有助于最大限度地減小系統(tǒng)總尺寸以及物料清單成本。它非常適合對(duì)頻率敏感的應(yīng)用，例如寬帶調(diào)制解調(diào)器、路由器和帶有無(wú)線(xiàn) AP 的網(wǎng)關(guān)。