多种DC-DC技术合力应对电源设计的挑战

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：TexasInstruments）

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。

TexasInstrument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：TexasInstruments）

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：TexasInstruments）

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。本文转载自贸泽电子设计圈。