用仿紋波模式實現降壓轉換

20年前，簡單易用的集成開關穩壓器的問世帶來了電源管理技術革命。此前，大多數的應用都是采用線性穩壓器作為電源電壓以及復雜的專有開關式電源。而今，美國國家半導體著名的Simple Switcher系列ＤＣ－ＤＣ穩壓器已被廣泛應用在各式各樣的設計中。在實現Simple Switcher電源的環路穩定性方面，有兩個方法可以采用：一是固定的內部補償，但這個方法會影響設計人員選擇輸出級電感器和電容器時的自由度；二是從外部作補償，這方法雖然可帶給設計人員較大的電源級元件選擇靈活性，但卻會使設計過程變得更為復雜。

一種全新的控制方式 – 仿紋波模式(ERM)現已應用在Simple Switcher最新的降壓穩壓器產品上，可以有效的簡化電源設計。設計人員無需再擔憂穩定性方面的問題，包括控制環路的補償和輸出紋波電壓的高低。

如何駕馭滯后模式轉換器

與電壓模式控制和電流模式控制的架構比較，滯后模式控制無需使用補償組件。因此，從定義上看滯后模式轉換器的控制環路是不穩定的。

在這種穩壓器中，輸出電壓會被保持在兩個滯后閾值之內。當輸出電壓下跌至閾值以下時，一個全新的開關開啟周期便會立刻被觸發，直至到達了滯后比較器的高階閾值，那周期便會終結。這個控制方式事實上非常簡單，因為當中無需任何的振蕩器和控制環路管理。可是，這種設計有一個缺點，就是經常需要反饋電壓紋波來進行修正。假如采用很低等效串聯電阻(ESR)的中等尺寸電容器(例如是陶瓷類電容器)來過濾輸出電壓，輸出紋波雖然可以很低，但不可以很準確地達到滯后閾值。事實上，這些具備極低ESR的電容器所看到的電壓紋波，會被相位位移到開關節點的真正開啟和關閉時間。在一個滯后模式控制中，我們需要在開啟時加大反饋電壓，并在關閉時減少反饋電壓。這樣，我們才可從滯后比較器獲得下一個周期的正確指令信號。然而，一個極低ESR的輸出電容器會降低輸出的紋波電壓，而且掠去滯后電容器所需的紋波電壓。基于上述原因，仿紋波模式(ERM)控制應運而生。

ERM(仿紋波模式)控制

仿紋波模式轉換器用來感測關閉期間的感應電流，并將其中一些紋波電壓以交流電壓的形式注入到誤差放大器的輸入。這些紋波中的交流電份量帶有正確的相位，能夠為滯后模式控制產生出正確的開啟和關閉時間。然而，滯后比較器輸入中的交流電部份只會在滯后比較器等電路需要的地方才會出現，，不會出現在轉換器的實際輸出電壓中。這個功能使得在滯后模式設計中可以采用非常低的ESR陶瓷輸出電容器。市場上率先出現的具備此類功能的產品是美國國家半導體的LM3100、LM3102和LM3103 Simple Switcher穩壓器。圖1表示出一個設立了ERM控制的降壓穩壓器電路，其中的仿紋波模式的實現利用了一個位處二極管節點和誤差放大器參考電壓之間的電容器。


圖1? 采用仿紋波模式的降壓滯后穩壓器

如何量度輸出電壓的紋波

設計低輸出電壓紋波的電源時，最重要的是事前了解真正輸出紋波電壓的大小。當用示波器探針測量電源的輸出電壓時，會發現當中有兩個交流電成份。其中一個成份通常被指是 “紋波”，它是由輸出電容器的ESR或由電容器本身的紋波所引起的輸出電壓變化。紋波中的ESR成份一般都會比來自電容的較大，不過如果采用的是陶瓷輸出電容器，那ESR的部份便會比電容的較少。圖2表示出一個采用介質輸出電容器的降壓穩壓器之輸出紋波電壓，在紋波電壓方面，來自ESR的影響比來自電容的較大。圖3則表示出另一個電路的輸出紋波電壓，該電路只采用一個ESR極低的陶瓷輸出電容器。圖中，大部份的紋波電壓都是來自電容而非ESR，而紋波的波形像一個正弦波，而不是如圖2般由ESR引起的電壓轉變。在兩個波形圖中，通道1是開關節點電壓，而通道2則是在交流電模式下量度出來的輸出電壓。



圖2? 采用了較高ESR輸出電容器后的輸出紋波波形


圖3? 采用了較低ESR輸出電容器后的輸出紋波波形

圖4表示出一個隨意的測量結果，期間沒有理會太多原本的測量設定。圖中，我們看到在開關過渡時出現有很大的電壓尖峰，遠遠大于真正的紋波波幅，但通常不當作是紋波電壓。在這個例子中，這些尖峰的峰峰電壓均超過1V，而這些尖峰其實是噪聲尖峰，且大部份都已被測量設定量度出來。在功率FET的過渡期間會產生很高的頻率，而在開關過渡時，電流會在幾納秒內來回從零切換，這時整片電源板都會感受到很大的di/dt變化。


圖4? 帶有開關噪聲的輸出紋波電壓

圖5表示出LM3102評估板的測量結果，其中探針依附著輸出電壓。實現的方法是把探針尖夾在輸出，并將一條5英寸長的高阻抗地線夾到電路板的接地。這條相對較長的地線會作用為一條天線，把電路板的di/dt 噪聲吸收。

接著，我們進行同樣的測量，只是移除用作天線的長地線，并用一條總線纜線纏繞著探針尖的接地，而且把它連接到一個與輸出電壓很近的接地，從而大幅地削減輸出電壓的尖峰。為了盡量縮減接地環路的尺寸，直接對設計上的輸出電容器測量也不失為一個好主意。圖6表示出把探針連到接地的測試裝置，可以消除大部份的開關噪聲。同樣的測量技巧還應用在先前的圖2和圖3。


圖5? 隨意測量裝置的較長探針與接地連接


圖6? 很短的測量接地環路連接

要降低輸出電壓紋波圖中的開關尖峰，一個簡單的方法是開啟示波器的帶寬限制功能。在進行過以上的測量后，我們應該會對開啟帶寬限制很有信心。因為大部份看到的信號都是與測量有關，而不是輸出電壓上的真正電壓尖峰。從圖2到圖4，示波器的帶寬限制功能都被關閉。

垂手可得的低輸出紋波電壓

利用仿紋波模式來設計低輸出電壓紋波滯后模式穩壓器其實非常容易。因為無需擔憂環路補償的問題，而且還可以選用陶瓷輸出電容器可有效降低輸出紋波電壓。

當研究交流電輸出電壓時，最重要是將紋波和噪聲區分。此外，所用的測量技術對讀數的解譯也非常重要。