降压型开关电源的发展
时间：2017-05-12 04:13:21
作者：杨红伟
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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。
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。
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。
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）。
图（4）电压模式DCDC BUCK控制原理图 
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。
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]。
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。
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。
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
- Shangyang Xiao, “Ripple Generating Circuit for Constant-On-Time Controlled Buck Converters”, powerelectronics.com/regulators/ripple-generating-circuit-constant-time-controlled-buck-converters
- Kuang-Yao (Brian) Cheng, “Adaptive Ripple-Based Constant On-Time Control with Internal Ramp Compensations for Buck Converters”, p.440, 2014, IEEE
- Shuilin Tian, “Small-signal Model Analysis and Design of Constanton-time V2 Control for Low-ESR Caps with ExternalRamp Compensation”, p.2944, 2011,IEEE
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