技术文章—多种DC-DC技术合力应对电源设计的挑战

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电力系统设计人员正面临来自市场的持续压力，努力寻找充分利用可用电力的方法。

在便携式设备中，更高的效率可以延长电池的使用寿命，并将更多功能放入更小的封装中。在服务器和基站中，效率的提升更是可以直接节省基础设施（冷却系统）和运营成本（电费）。

为满足市场需求，系统设计人员正在改进多个领域的电力转换过程，包括更高效的开关式拓扑、封装创新和以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为基材的新型半导体器件。

开关式转换器拓扑的改进

为充分利用可用电力，人们越来越多地采用基于开关技术而不是线性技术的设计。开关式电源（SMPS）的有效功率高达90%以上。这延长了便携式系统的电池寿命，降低了大型设备的电力成本，并且可以省下以前用于散热部件的空间。

转至开关式拓扑有一定的缺点，其更复杂的设计要求设计人员具有多元化的技能。设计工程师必须熟悉模拟和数字技术、电磁学及闭环控制。印刷电路板（PCB）的设计人员必须更加注意电磁干扰（EMI），因为高频开关波形会使敏感的模拟电路和射频电路产生问题。

在晶体管发明之前，就已经有人提出了开关式电力转换的基本概念：例如，1910年发明的凯特式感应放电系统，其使用了机械振动器来实现汽车点火系统的反激式升压转换器。

大多数标准拓扑已经存在了几十年，但这并不意味着工程师不会调整标准设计来适应新的应用，特别是控制回路。标准架构使用固定频率，在不同的负载条件下，通过反馈部分输出电压（电压模式控制）或控制感应电流（电流模式控制）来保持恒定的输出电压。设计人员已经在不断改进，以克服基本设计的缺陷。

图1：电压模式的降压转换器拓扑（资料来源：Texas Instruments）

图1是基本闭环电压模式控制（VMC）系统的框图。功率级由电源开关和输出滤波器组成。补偿块包括输出电压分压器、误差放大器、参考电压和回路补偿元件。脉宽调制器（PWM）使用比较器将误差信号与固定斜坡信号进行比较，生成与误差信号成比例的输出脉冲序列。

虽然VMC系统的不同负载皆有严格的输出规则，且容易与外部时钟同步，但标准架构有一些缺陷。回路补偿降低了控制回路的带宽，放缓了瞬态响应的速度；误差放大器则增加了作业电流，降低了效率。

在不需要回路补偿的情况下，恒定导通时间（COT）控制方案提供了良好的瞬态性能。COT控制使用比较器来比较调节后的输出电压和参考电压：当输出电压小于参考电压时，就会生成一个固定导通时间脉冲。在低占空比条件下，这会导致开关频率非常高，因此自适应COT控制器便会生成一个随输入和输出电压而变化的导通时间，这在稳定状态下可以保持频率几乎不变。

Texas Instrument的D-CAP拓扑是对自适应COT方法的改进：D-CAP控制器在反馈比较器的输入中增加了一个斜坡电压，通过减少应用中的噪声频带，斜坡改善了抖动性能。图2是COT和D-CAP系统的比较。

图2：标准COT拓扑（a）和D-CAP拓扑（b）的比较（资料来源：Texas Instruments）

针对不同的需求，D-CAP拓扑有几种不同的变体。例如，TPS53632半桥PWM控制器使用D-CAP+架构，主要用于高电流应用，可以在48V到1V的POL转换器中驱动高达1MHz的功率级，效率高达92%。

不同于D-CAP，D-CAP+反馈环增加了一个与感应电流成比例的部件，用于实现精确的下垂控制。在各种线路和负载条件下，增加的误差放大器都可以提升DC负载的准确性。

控制器的输出电压通过内部DAC设置。当电流反馈达到误差电压水平时，这个周期就会开始。此误差电压与DAC设定点电压和反馈输出电压之间经过放大的电压差相对应。

改善轻负载条件下的性能

对于便携式和可穿戴设备，需要改善轻负荷条件下的性能，以延长电池寿命。许多便携式和可穿戴应用在大部分时间处于低功耗的“暂时休眠”或“睡眠”待机模式，只在响应用户输入或进行定期测量时才会激活，因此在待机模式下，尽量减少功耗是最优先考虑的事情。

DCS-Control™（无缝转换至节能模式的直接控制）拓扑综合了三种不同控制方案（即迟滞模式、电压模式和电流模式）的优点，以改善轻负载条件下的性能，特别是过渡至或离开轻负载状态时。该拓扑支持中型和重型负载的PWM模式，以及用于轻负载的省电模式 (PSM)。

在PWM操作过程中，系统根据输入电压，以其额定开关频率运行，并控制频率变化。如果负载电流降低，转换器就会切换到PSM以保持高效率，直到降至非常轻的负载。在PSM下，开关频率随负载电流线性降低。这两种模式均由单个控制块进行控制，因此从PWM到PSM的转换是无缝的，不会影响输出电压。

图3是DCS-Control™框图。控制回路获取关于输出电压变化的信息，并将其直接反馈给快速比较器。比较器设置开关频率（作为稳态运行条件的常数），并对动态负载变化提供即时响应。电压反馈回路可以精确地调节DC负载。经过内部补偿的调节网络通过小型外部组件和低ESR电容器便可实现快速稳定的操作。

图3：DCS-Control™拓扑在TPS62130降压转换器中的实现（资料来源：Texas Instruments）

TPS6213xA-Q1同步开关式电力转换器基于DCS-Control™拓扑，针对高功率密度的POL应用进行了优化。典型的2.5MHz开关频率允许使用小型电感器，并能提供快速瞬态响应和高输出电压精度。TPS6213可以在3V到17V的输入电压范围内操作，并且可以在0.9V和6V的输出电压之间输出高达3A的连续电流。

作者简介

作为一名自由职业技术作家，Paul Pickering写了很多文章，涉及的主题包括半导体元件与技术、无源器件、封装、电力电子系统、汽车电子、物联网（IoT）、嵌入式软件、EMC和替代能源。Paul在电子行业拥有超过35年的工程和市场营销经验，对汽车电子、精密模拟、功率半导体、嵌入式系统、逻辑设备、飞行模拟和机器人领域均有涉猎。他在数字和模拟电路设计、嵌入式软件和网络技术方面都有实践经验。他出生于英格兰东北部，曾在欧洲、美国和日本生活和工作。他拥有伦敦大学皇家霍洛威学院物理与电子学士学位，并在塔尔萨大学攻读了研究生。