用于固定開啟時(shí)間穩(wěn)壓器的低ESR穩(wěn)定技術(shù)

遲滯控制是最簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓控制方法之一。這種控制方法非常簡(jiǎn)單，只需在輸出電壓低于參考電壓時(shí)接通開關(guān)，在輸出電壓上升到稍高于參考電壓時(shí)斷開開關(guān)。因此輸出紋波受到遲滯水平的直接影響。有些東西簡(jiǎn)單到難以想象，但并不總是越簡(jiǎn)單越好。隨著輸入電壓的變化，開關(guān)頻率往往也會(huì)有很大的變化。這是基于遲滯原理的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)的最大缺點(diǎn)之一。

為了改善這一狀況，業(yè)界開發(fā)出了固定開啟時(shí)間的控制技術(shù)，這種技術(shù)只需增加一點(diǎn)點(diǎn)復(fù)雜性，即能提供明顯改善的頻率控制性能。這種技術(shù)需要在控制電路的信號(hào)路徑上增加一個(gè)簡(jiǎn)單的單觸發(fā)定時(shí)器。單觸發(fā)定時(shí)器的周期可以進(jìn)行編程，它是輸入電壓的反函數(shù)。只需通過連接到Vin的單個(gè)電阻就能實(shí)現(xiàn)編程。不過在這種設(shè)計(jì)中遲滯控制電路仍然需要保留，因此在反饋引腳上仍需要一定的紋波電壓。很可惜，在某些情況下這一紋波分量可能超過所需。

陶瓷輸出電容會(huì)使紋波的相位偏離電感電流90°，因此不能提供正確控制主開關(guān)所需的時(shí)序關(guān)系。圖1中所示的電路可以解決這些問題，并且在某個(gè)例子中實(shí)現(xiàn)了完全與ESR無關(guān)，而電路復(fù)雜度只是稍許增加，輸出紋波則有明顯下降。

圖1：COT穩(wěn)壓器框圖和典型應(yīng)用電路

這些電路被配置為輸入電壓范圍為15V到75V，輸出10V標(biāo)稱電壓時(shí)電流為1.25A。大多數(shù)測(cè)試是在輸入電壓為30V時(shí)完成的。

COT穩(wěn)壓器框圖和典型應(yīng)用電路如圖1所示。

只要輸出電容C2具有足夠的ESR使其在開關(guān)頻率點(diǎn)呈現(xiàn)阻性，這個(gè)電路都將正常工作?？刂齐娐穼⑤敵龅娜遣y波的底部穩(wěn)定在標(biāo)稱的2.5V。只要Vout低于這一電平，取決于輸入電壓的開啟時(shí)間就會(huì)被初始化，迫使輸出電壓稍微抬高一點(diǎn)。這一過程不斷地重復(fù)進(jìn)行。因此開關(guān)頻率和輸出紋波受設(shè)置的開啟時(shí)間所控制。如果輸出電容值非常大，就會(huì)有很少量的信號(hào)包含在輸出紋波中，造成反饋信號(hào)的信噪比非常低，電路就會(huì)對(duì)噪聲非常敏感。如果使用非常低ESR的電容，也會(huì)產(chǎn)生同樣的問題，原因是信號(hào)幅度低，并且需要的信息被相移了90°。

圖2是一個(gè)22uF陶瓷輸出電容串聯(lián)一個(gè)1.5Ω電阻的情況。

圖2：一個(gè)22uF陶瓷輸出電容串聯(lián)一個(gè)1.5Ω電阻的情況

這種電路可以提供限定的、控制良好的ESR。開關(guān)電路非常穩(wěn)定，工作可靠，但疊加在10V輸出上的紋波峰峰值接近500mV。在許多情況下這個(gè)結(jié)果可能完全可以接受，從而認(rèn)為設(shè)計(jì)已經(jīng)完成。圖3是為了減少紋波而取消了1.5Ω電阻時(shí)的情況，結(jié)果令人失望。

圖3：為了減少紋波而取消了1.5Ω電阻時(shí)的情況

降低紋波電壓
　
值得注意的是，開關(guān)脈沖是成串出現(xiàn)的，紋波看起來非常接近正弦波。為了使紋波幅度下降約一半，只能放棄正確的操作。仔細(xì)觀察電路設(shè)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)從哪里開始改進(jìn)的首要線索。需要注意的是，R1/R2分壓器用于向穩(wěn)壓器提供反饋并設(shè)置想要的輸出電壓。這個(gè)分壓器會(huì)同時(shí)衰減紋波電壓和直流電平，因此會(huì)降低供給控制電路的有效交流信號(hào)。這里所說的穩(wěn)壓器參考電壓是2.5V，因此對(duì)于10V輸出來說分壓比是4:1。如果上面的分壓電阻R1再并接一個(gè)電容，并且這個(gè)電容在開關(guān)頻率點(diǎn)的阻抗低于R1，那么就可以顯著地改善交流信號(hào)，同時(shí)不影響直流穩(wěn)壓。將拐點(diǎn)頻率設(shè)在開關(guān)頻率的大約1/10處。當(dāng)開關(guān)頻率為500kHz時(shí)，對(duì)RC來說意味著50kHz的截止頻率。由于C=1/2πRF，當(dāng)R1等于3kΩ時(shí)，可以計(jì)算得到電容值大約為1,000pF。因此可以獲得增加4倍的交流反饋信號(hào)，從理論上講應(yīng)該可以將ESR減少4倍，并重新獲得正確操作。折合成ESR為375mΩ。新電路如圖4所示。
圖4：改進(jìn)后的新電路
圖5顯示了上面過程的結(jié)果。紋波下降到約150mV峰峰值，開關(guān)頻率則與先前例子中幾乎相同。

圖5：電路改進(jìn)后的結(jié)果

如果負(fù)載端有另外的電容，問題就來了。為了正常工作，對(duì)取決于濾波電容ESR的設(shè)計(jì)來說，這一點(diǎn)特別需要加以關(guān)注。一般來說，只要附加電容與穩(wěn)壓器的輸出電容之間有數(shù)英寸的距離，那么兩部分電路之間就有足夠的引線電感進(jìn)行隔離，電路不會(huì)受到負(fù)面影響。這里有個(gè)例子，即在距離主輸出電容約1英寸的地方增加一個(gè)10uF、35V、125mΩ ESR的鉭電容?？梢钥吹?，紋波現(xiàn)在下降到了約35mV峰峰值，如圖6所示。值得注意的是，輸出紋波電壓仍與開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓同相。這意味著負(fù)載在開關(guān)頻率點(diǎn)仍呈很大的阻性。

圖6：在距離主輸出電容約1英寸的地方增加一個(gè)10uF、35V、125mΩ ESR的鉭電容后，紋波下降到了約35mV峰峰值

然而，在靠近輸出電容很近的地方增加較大容值的陶瓷電容就很可能會(huì)產(chǎn)生問題。圖7說明了將一個(gè)2.2uF的陶瓷電容緊靠輸出電容連接時(shí)發(fā)生的情況。

圖7：將一個(gè)2.2uF的陶瓷電容緊靠輸出電容連接時(shí)發(fā)生的情況

開關(guān)脈沖又開始成串地集中出現(xiàn)。問題是由與主輸出電容的ESR并行放置的附加濾波電容引起的。如果這個(gè)附加電容和輸出電容的ESR的轉(zhuǎn)角頻率接近穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率，有效ESR就開始減少，控制電路“看到”的紋波開始衰減。然而，如果附加電容與主輸出電容的距離至少有幾英寸時(shí)，就會(huì)有足夠的引線電感有效地將主輸出電容和附加電容隔離開來，電路也就能正常工作。從紋波波形可以看出，紋波與開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形之間有明顯的相位偏移。這就意味著負(fù)載在開關(guān)頻率點(diǎn)呈現(xiàn)很大的容性，而這是不希望看到的結(jié)果。

對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)

也許最佳方案是由人工產(chǎn)生需要的紋波信息并反饋給控制器，讓控制器以為是真正想要的東西。這樣能把輸出紋波做得任意小，同時(shí)仍能保證電路正常工作。見圖8。

圖8：R4、C7和C8網(wǎng)絡(luò)組成三角波發(fā)生器，向FB引腳提供所需的信息

R4、C7和C8網(wǎng)絡(luò)組成三角波發(fā)生器，向FB引腳提供所需的信息。電阻R4和電容C7對(duì)電感上的電壓進(jìn)行積分，產(chǎn)生的信號(hào)再通過C8交流耦合到反饋引腳。正常情況下，電感對(duì)其上面的電壓進(jìn)行積分，并產(chǎn)生三角電流波形，流經(jīng)輸出電容的ESR后產(chǎn)生用于反饋的三角電壓波。這里的RC電路做的事也非常相似。電容C7對(duì)經(jīng)過R4的電流(正比于加在R4電阻上的電壓)進(jìn)行積分。該電壓與電感兩端的電壓是相同的。就反饋電路而言，兩者實(shí)質(zhì)上指的是同一件事。來自前面電路的ESR電阻已經(jīng)被完全取消，電路中唯一的ESR只是22μF陶瓷電容的ESR，因此總的ESR大約在10mΩ數(shù)量級(jí)。

作為這種實(shí)現(xiàn)的結(jié)果，Vout端的紋波電壓如圖9所示。

圖9：Vout端的紋波電壓

紋波現(xiàn)在已經(jīng)到了15mV峰峰值數(shù)量級(jí)。同時(shí)觀察到測(cè)得的尖峰電平與以前相比也有所降低。這只是因?yàn)橐呀?jīng)消除了開關(guān)節(jié)點(diǎn)測(cè)量。與帶有噪聲的信號(hào)源連接的另外一個(gè)示波器探頭會(huì)幅射一定的能量，這一能量會(huì)被紋波測(cè)量探頭采集。因此在做非常精確的紋波測(cè)量時(shí)最好使用單個(gè)探頭。

在15V到50V輸入范圍內(nèi)的線性調(diào)整度約為20mV。這個(gè)設(shè)計(jì)完全不受額外的大容量輸出電容的影響。它要求零ESR，可以一直保持工作良好。如果環(huán)境有噪聲或布線未經(jīng)優(yōu)化，只需簡(jiǎn)單地減小積分器的時(shí)間常數(shù)并產(chǎn)生稍多一點(diǎn)信號(hào)就行。

這種技術(shù)的設(shè)計(jì)過程相當(dāng)簡(jiǎn)單。在理想開關(guān)頻率點(diǎn)的積分電容阻抗應(yīng)小于反饋分壓電阻。由于在本例中有效分壓電阻稍低于1,000Ω(1,000Ω與3,000Ω并聯(lián))，C7在500kHz頻率點(diǎn)的阻抗應(yīng)選在100Ω左右，此時(shí)可以計(jì)算得到容值約為3300pF。由于Vin-Vout與產(chǎn)生的紋波電壓相比非常大，因此可以把R4當(dāng)作是一個(gè)理想的電流源。電流值等于(Vin-Vout)/R4。目標(biāo)紋波電壓可以較隨意地選為50mV峰峰值。充電電容遵循I/C=dV/dt。當(dāng)輸入為30V時(shí)開啟時(shí)間約為650ns。dV選為50mV，C為3,300pF。根據(jù)公式可以算出I約為250uA。根據(jù)R=(30V-10V)/250uA，R選為75kΩ。交流耦合電容值比積分電容大3到4倍，可以選為0.01uF。這些值都不需要非常嚴(yán)格。

需要注意的是，當(dāng)負(fù)載足夠輕以至于強(qiáng)迫電路進(jìn)入不連續(xù)的傳導(dǎo)模式工作(DCM)時(shí)，紋波會(huì)有所增加(如圖10所示)。
圖10：當(dāng)負(fù)載足夠輕以至于強(qiáng)迫電路進(jìn)入不連續(xù)的傳導(dǎo)模式工作(DCM)時(shí)，紋波會(huì)有所增加
在這種情況下，40mA輸出時(shí)的紋波峰峰值接近1A輸出時(shí)峰峰值的兩倍，當(dāng)負(fù)載為零時(shí)將增加到約25mV峰峰值。上面的軌跡是DCM下的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。相對(duì)頻率較高的振鈴是電感與開關(guān)節(jié)點(diǎn)上寄生電容諧振的結(jié)果。這對(duì)任何處于DCM狀態(tài)的穩(wěn)壓器來說都是正常并可以預(yù)料到的。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容由二極管電容、高側(cè)開關(guān)輸出電容和與任何與PCB布線有關(guān)的雜散電容等組成。這種振鈴不需要進(jìn)行任何處理，它不會(huì)引起任何問題。

本文小結(jié)

綜上所述，基于固定開啟時(shí)間的穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)可以提供較低的輸出紋波，同時(shí)仍保持原始設(shè)計(jì)的很多簡(jiǎn)潔性。對(duì)輸出電容ESR沒有要求的COT穩(wěn)壓器非常實(shí)用，生成的設(shè)計(jì)可以完全不用考慮與大電容負(fù)載有關(guān)的穩(wěn)定性問題，因此無需過多考慮反饋環(huán)路的穩(wěn)定性問題即能獲得與復(fù)雜得多的時(shí)鐘控制PWM系統(tǒng)相同的性能。

作者：

Craig Varga

美國國家半導(dǎo)體