用TPS5211高頻遲滯控制器設計同步降壓穩壓器

TI公司TPS5210系列控制器所採用的遲滯模式控制已被普遍用於微處理器和DSP或其他高轉換率變換負載的快速瞬態響應電源中，這是因為遲滯模式控制是一種具有很好動態特性，又非常簡單的方案。採用遲滯控制器的一個同步降壓變換器實例示於圖1。

遲滯控制器是一個自振蕩電路，靠保持輸出電壓在由基準電壓穩壓器和比較器所設計的遲滯窗口內來實現調整輸出電壓。實際的輸出紋波電壓是由內部延遲和輸出電容器特性所決定的遲滯電壓、過衝的組合。

這種器件沒有慢的反饋迴路而在瞬間發生的同一開關周期影響負載電流瞬態。瞬態響應時間只依賴遲滯比較器和驅動電路中的延遲。比較器輸入的高頻噪聲濾波器也增加一些延遲。這些延遲依賴於所選擇的技術水平，因此，遲滯控制與其他控制方法相比具有最快的瞬態響應。遲滯控制器的另一優點是它的佔空因數從0至1全範圍。它對功率開關導通間隔沒有任何限制，這與大多數其他控制方法不同。因此，在負載電流瞬態之後輸出電壓恢復時間是最短的。遲滯控制的優異動態特性使輸出濾波器大小和成本都較低。

這種控制方法的開關頻率低賴於輸出濾波器特性、輸出和輸入電壓、遲滯窗口和內部延遲。開關頻率簡化議程式為：

fs≌[VOUT×(VIN-VOUT)×ESR] / (VIN×L×遲滯窗口）

式中ESR是輸出電容器的等效串聯電阻，L是輸出電感器值。

對於高頻工作（大於400kHz），可降低遲滯窗口，但頻率變化顯得更重要，因為輸出電容器寄生性、延遲和噪聲影響。另一個問題是輸出電容器的類型。從上述方程可見，開關頻率正比於ESR。這意味著用一個非常低值ESR的"理想"電容器（如把很多陶瓷電容器並聯）成為問題，因為工作頻率變得相當低。TI公司的TRS5211遲滯控制器克服了這些問題。

TPS5211特性

TPS5211控制器功能框圖與TPS5211相同。所不同的是高頻工作（高達700kHz）所規定的參量和特性。另外需要少量外部元件加到dc-dc變換器上。由TPS5211遲滯控制器組成的同步降壓變換器簡圖示於圖2.

在dc-dc穩壓器中增加了Radd-Cadd電路。Radd連接在遲滯比較器輸入和功率開關中點之間。Cadd連接在比較器輸入和地之間。Radd-Cadd電路形成通過遲滯比較器輸入的另一個斜波信號：來自Radd-Cadd電路的斜波信號和來自變換器輸出的信號經比較器輸入求和。選擇合適的Radd和Cadd，可使附加斜波信號的幅度大於變換器的輸出紋波。結果，開關頻率比較高，而輸出紋波變得比較小。開關頻率依賴於Radd-Cadd值而不依賴於輸出濾波器特性，包括ESR、ESL和輸出電容器C。TPS5211控制器開關頻率簡化方程式為：

fs=1/Ts

Ts=VIN×Radd×Cadd×遲滯窗口 / VREF×（CIN-VREF+TDELAY×（2+VREF / CIN-VREF+VIN-VREF / VREF）

式中TDELAY為比較器和驅動電路延遲。

在同一時間，來自變換器輸出的反饋信號控制輸出電壓的dc電平，輸出電壓由下式輸出

VOUT=VREF×[1+R1×Radd / R2×(R1+Radd)]

從上式可見，輸出電壓VOUT依賴於附加電阻器Radd。為避免這種依賴性，可增加一個與Radd。串聯的dc去耦電容器Cd（見圖4）。

用去耦電容器Cd後，輸出電壓由下式輸出：

VOUT=VREF×[1+R1 / R2]

開關頻率不低賴於輸出電容器件性，所以在該dc-dc變換器中用高頻、價廉陶瓷或薄膜電容器可保持同樣優異的負載電流瞬態響應特性。

Radd-Cadd電路增加控制器的前饋性能，這也改善了輸出電壓瞬態響應特性。

結語

用TPS5211控制器改進遲滯控制方法，用增加簡單的外部電路施加一個附加斜波信號到遲滯比較器輸入能顯著地改變dc-dc穩壓器的性能。其開關頻率不低賴於輸出濾波器特性和寄生性，而輸出紋波低於遲滯窗口。高開關頻率與快速瞬態響應一起使下一代微處理器和DSP所嚴格要求的輸出濾波成本降低50～60%。