广告

降压型开关电源的发展

2017-05-12 04:13:21 杨红伟 阅读:
电源作为电子产品的动力中枢,其续航能力直接决定着电子产品的使用寿命。随着集成电路制造工艺的不断进步,数字电路的电源电压一直下降,但系统的供电电源还是在较高的电位,因此必须靠降压型电源来提供较低的供电电源。
广告

电源作为电子产品的动力中枢,其续航能力直接决定着电子产品的使用寿命。随着集成电路制造工艺的不断进步,数字电路的电源电压一直下降,但系统的供电电源还是在较高的电位,因此必须靠降压型电源来提供较低的供电电源。开关电源技术问世之前,线性电源作为各类电子产品的主要电源,能够实现直流高电压向直流低电压的单向变换,适用于低压差的电压转换和低负载电流的应用。要提高电子产品的性能,节约能源,关键是要解决电源的性能问题。由于开关电源具有功耗小、变换效率高等优良性能,加上生产成本低,已经逐渐取代了线性电源,在电子行业得以广泛使用。

开关电源发展之初,功率级多采用分立器件,应用简单的异步整流技术,如图(1)所示。
20170512-switch-1
图(1)异步整流DCDC BUCK

同步整流技术采用MOSFET代替整流二极管,由于MOSFET的导通电阻很低,整流器件的导通损耗大大降低,提高了转换效率,同步整流技术尤其适宜应用在低电压、大电流的场合。同步整流BUCK如图(2)所示。
20170512-switch-2
图(2)同步整流DCDC BUCK

进入90年代中后期,随着集成电路的发展,MOS分立元件集成到芯片中,DCDC BUCK整体性能大幅提高,同时降低了成本,显示出强大的生命力。对于电流不是很大的BUCK, 功率级High Side MOS多采用PMOS,这样控制电路简单。而对于大电流BUCK,则改用经济的NMOS,NMOS的栅电压要通过自举电路抬高,如图(3)所示。
20170512-switch-3
图(3)带自举电路的同步整流DCDC BUCK

DCDC按控制环路可分为电压模式控制(图4)和电流模式控制(图5)。
20170512-switch-4
图(4)电压模式DCDC BUCK控制原理图
20170512-switch-5
图(5)电流模式DCDC BUCK控制原理图

电压控制模式系统结构简单,因其只有电压反馈一个环路,动态响应慢,存在双极点,补偿复杂。电流模式控制在保留电压控制模式的基础上,又增加了一个电流反馈环,即存在电压反馈外环和电流反馈内环的双环控制系统。电流模式控制闭环响应快,单极点系统易于补偿。但当占空比(D)大于50%时,易产生次谐波振荡,各种谐波补偿电路应运而生,弥补了不足,在很长一段时间,电流模式控制DCDC一直是电源的主流。

受到摩尔定律的指引,半导体制程的线宽不断缩小,智能手机、平板电脑和数码相机等市场上的便携式设备做得越来越轻薄,功能越来越强大。然而数码产品所需电源电压不断下降,电流不断增加,对电源性能的要求不断提高,传统PWM模式DCDC,已不能满足市场需要。

近些年,COT(Constant-On-Time)控制架构得以广泛应用。COT架构的DCDC具有几大优势:

1、控制电路简单,不需要误差放大器和电流采样电阻。

2、对负载的变化响应快速。

3、轻载时仍有较高效率。输出级电容的ESR(串联等效电阻)自带电感电流信息,只要其“信息”足够(所产生纹波可以和电容纹波比拟)就可以作为电流检测电阻使用,以实现只用输出电压就可以获得电流模式控制[1] [2] [3]。在输出电压纹波要求不高的应用中,可以在电容上叠加一个电阻去产生这样的纹波信号,如图(6)中的R3。
20170512-switch-6
图(6)COT应用电路

通常用具有较高ESR的电容(电解电容,固态电容(OSCON),高分子有机半导体固体电容器(POSCAP))来实现这种纹波。受严格的输出调整电压规格限制,以及成本和尺寸压缩的需要,电源设计者转向成本更低,尺寸更小,ESR更低的陶瓷电容(ceramic)[1]。使用带陶瓷电容的COT架构,就必须“造出”带有电感电流信息的幅度足够大的纹波,图(7)为纹波产生电路,产生的纹波可由公式(1)计算得出[1]。
20170512-switch-7
图(7)COT架构的DCDC BUCK纹波产生电路

公式(1):V_(CX(PP))=(I_(L(PP))×L)/(R_X×C_X )

与图(6)同一款芯片的另一种应用,如图(8)所示:为获得较小的输出纹波,不用R3,而用RA, CA产生了带有足够电感电流“信息”的纹波,加载在反馈电压信号上。
20170512-switch-8
图(8)采用纹波注入的最小纹波输出应用电路

思瑞浦研发的TPP2020 DCDC BUCK,采用COT技术,输入电压最高可达20V,输出电压5V到1V,输出电流可达3A,效率最高可达93%,其应用电路如图(9)所示。

20170512-switch-9
图(9)TPP2020应用电路

DCDC BUCK随着微电子技术的发展以及电子产品电源的需要而不断创新,从异步整流到同步整流,功率器件从片外分立MOS到片内集成大功率MOS,从单环电压模式到双环电流模式,从复杂环路和补偿电路到简单的COT架构(误差放大器,补偿电路,甚至振荡器都可以不要),从PWM到PFM操作……如今COT架构更是以其无以伦比的优势在电源领域得以大力发展。未来,还会有新的技术不断创造出来、融入进来,使我们的DCDC BUCK性能更加卓越…

参考文献

  1. Shangyang Xiao, “Ripple Generating Circuit for Constant-On-Time Controlled Buck Converters”, powerelectronics.com/regulators/ripple-generating-circuit-constant-time-controlled-buck-converters
  2. Kuang-Yao (Brian) Cheng, “Adaptive Ripple-Based Constant On-Time Control with Internal Ramp Compensations for Buck Converters”, p.440, 2014, IEEE
  3. Shuilin Tian, “Small-signal Model Analysis and Design of Constanton-time V2 Control for Low-ESR Caps with ExternalRamp Compensation”, p.2944, 2011,IEEE

EETC wechat barcode


关注最前沿的电子设计资讯,请关注“电子工程专辑微信公众号”。

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 跟着芯片老司机去日韩,把设备、材料摸透! 别再盯着欧美了,日韩在全球半导体市场也是一股不可忽视的力量。韩国,按销售额来看,是全球半导体第二大国,仅次于美国。日本,半导体设备和材料领域的王者,在部分领域能做到近乎垄断。不只有三星和SK海力士,存
  • 比亚迪发布全民智驾战略,推出21款智驾版车型 2月10日晚,比亚迪举办了“天神之眼 开创全民智驾时代”智能化战略发布会,正式发布了全民智驾战略,并推出了首批21款智驾车型,覆盖7万级至20万级价格区间,全部保持原价。           其中,海
  • IDC:2024中国平板电脑市场出货量同比增长4.3%,华为居首位 2月10日,市场调查机构 IDC 发文称,2024 年全年中国平板电脑市场出货量为 2985 万台,同比增长 4.3%,市场迎来回暖。报道称, 2024 年第 4 季度市场出货量为 786 万台,受库
  • 又一显示大厂人事地震:董事长辞职 2月10日消息,天眼查App显示,近日,杉杉控股有限公司发生工商变更,周婷卸任法定代表人,并由董事长变更为董事;周顺和接任法定代表人并担任董事长;孙伟卸任董事职务。 2月7日,杉杉集团在宁波市鄞州区人
  • 三星初期独供iPhone折叠屏,预计明年5月量产 据IT业界9日报道,苹果公司最近进入了“可折叠iPhone”零部件供应商选择的最后阶段,据观察,三星显示器已决定独家供应初期面板量。据悉,三星将供应约1500万至2000万片,并将于明年5月开始量产,
  • 【3月13日|无锡】是德科技无线物联网新技术研讨会 会议时间:2025年3月13日 13:15--16:35会议地点:无锡富力喜来登酒店 • 三楼齐厅会议地址:无锡市滨湖区梁溪路49号会议介绍物联网作为新一代信息技术高度集成和综合运用的载体,在日常生产
  • 40家知名日本半导体材料企业汇总! 我是芯片超人花姐,入行20年,有40W+芯片行业粉丝。有很多不方便公开发公众号的,关于芯片买卖、关于资源链接等,我会分享在朋友圈。扫码加我本人微信👇1.  信越化学(Shin-Etsu Chemica
  • DeepSeek在龙芯上成功运行 最近,龙芯宣布DeepSeek R1 7B模型在龙芯3号上运行,实现本地化部署,可为广大用户提供更快、更强、更省的训推体验。部署后无需依赖云端服务器,或可有效避免因网络波动或服务器过载导致的服务中断,
  • 总投资1亿!哈曼苏州车载显示工厂开业 新春伊始,苏州工业园区企业以新促兴,开启新一年奋进之旅。2月10日上午,哈曼汽车电子系统(苏州)有限公司车载显示智能制造工厂开业。哈曼集团在该事业领域全球布局的第一条生产线将在这里投入使用,未来满产后
  • 消息称宁德时代计划本周提交港股上市申请,筹资至少50亿美元 据路透社报道,宁德时代计划本周提交港股上市申请,筹资至少 50 亿美元(当前约 365.4 亿元人民币)。2024年12月,宁德时代表示,经公司股东大会审议通过后,最快在 18 个月内完成在港上市,并
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了