為滿足市場需求，係統設計人員正在改進多個領域的電力轉換過程，包括更高效的開關式拓撲、封裝創新和以碳化矽（SiC）和氮化镓（GaN）為基材的新型半導體器件。

 

開關式轉換器拓撲的改進

 

為充分利用可用電力，人們越來越多地采用基於開關技術而不是線性技術的設計。開關式電源（SMPS）的有效功率高達90%以上。這延長了便攜式係統的電池壽命，降低了大型設備的電力成本，並且可以省下以前用於散熱部件的空間。

 

轉至開關式拓撲有一定的缺點，其更複雜的設計要求設計人員具有多元化的技能。設計工程師必須熟悉模擬和數字技術、電磁學及閉環控製。印刷電路板（PCB）的設計人員必須更加注意電磁幹擾（EMI），因為高頻開關波形會使敏感的模擬電路和射頻電路產生問題。

 

在晶體管發明之前，就已經有人提出了開關式電力轉換的基本概念：例如，1910年發明的凱特式感應放電係統，其使用了機械振動器來實現汽車點火係統的反激式升壓轉換器。

 

大(da)多(duo)數(shu)標(biao)準(zhun)拓(tuo)撲(pu)已(yi)經(jing)存(cun)在(zai)了(le)幾(ji)十(shi)年(nian)，但(dan)這(zhe)並(bing)不(bu)意(yi)味(wei)著(zhe)工(gong)程(cheng)師(shi)不(bu)會(hui)調(tiao)整(zheng)標(biao)準(zhun)設(she)計(ji)來(lai)適(shi)應(ying)新(xin)的(de)應(ying)用(yong)，特(te)別(bie)是(shi)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)。標(biao)準(zhun)架(jia)構(gou)使(shi)用(yong)固(gu)定(ding)頻(pin)率(lv)，在(zai)不(bu)同(tong)的(de)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)下(xia)
，通(tong)過(guo)反(fan)饋(kui)部(bu)分(fen)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)（電壓模式控製）或控製感應電流（電流模式控製）來保持恒定的輸出電壓。設計人員已經在不斷改進
，以克服基本設計的缺陷。

 

圖1：電壓模式的降壓轉換器拓撲（資料來源：Texas Instruments）

 

圖1是基本閉環電壓模式控製（VMC）係統的框圖。功率級由電源開關和輸出濾波器組成。補償塊包括輸出電壓分壓器、誤差放大器、參考電壓和回路補償元件。脈寬調製器（PWM）使用比較器將誤差信號與固定斜坡信號進行比較
，生成與誤差信號成比例的輸出脈衝序列。

 

雖然VMC係xi統tong的de不bu同tong負fu載zai皆jie有you嚴yan格ge的de輸shu出chu規gui則ze，且qie容rong易yi與yu外wai部bu時shi鍾zhong同tong步bu，但dan標biao準zhun架jia構gou有you一yi些xie缺que陷xian。回hui路lu補bu償chang降jiang低di了le控kong製zhi回hui路lu的de帶dai寬kuan
，放fang緩huan了le瞬shun態tai響xiang應ying的de速su度du
；誤差放大器則增加了作業電流，降低了效率。

 

在不需要回路補償的情況下
，恒定導通時間（COT）控製方案提供了良好的瞬態性能。COT控製使用比較器來比較調節後的輸出電壓和參考電壓：當輸出電壓小於參考電壓時，就會生成一個固定導通時間脈衝。在低占空比條件下，這會導致開關頻率非常高，因此自適應COT控製器便會生成一個隨輸入和輸出電壓而變化的導通時間

，這在穩定狀態下可以保持頻率幾乎不變。

 

Texas Instrument的D-CAP拓撲是對自適應COT方法的改進：D-CAP控製器在反饋比較器的輸入中增加了一個斜坡電壓，通過減少應用中的噪聲頻帶，斜坡改善了抖動性能。圖2是COT和D-CAP係統的比較。

 

圖2：標準COT拓撲（a）和D-CAP拓撲（b）的比較（資料來源：Texas Instruments）

 

針對不同的需求，D-CAP拓撲有幾種不同的變體。例如
，TPS53632半橋PWM控製器使用D-CAP+架構，主要用於高電流應用，可以在48V到1V的POL轉換器中驅動高達1MHz的功率級
，效率高達92%。

 

不同於D-CAP，D-CAP+反饋環增加了一個與感應電流成比例的部件
，用於實現精確的下垂控製。在各種線路和負載條件下
，增加的誤差放大器都可以提升DC負載的準確性。

 

控製器的輸出電壓通過內部DAC設置。當電流反饋達到誤差電壓水平時，這個周期就會開始。此誤差電壓與DAC設定點電壓和反饋輸出電壓之間經過放大的電壓差相對應。

 

改善輕負載條件下的性能

 

對於便攜式和可穿戴設備，需要改善輕負荷條件下的性能，以延長電池壽命。許多便攜式和可穿戴應用在大部分時間處於低功耗的“暫時休眠”或“睡眠”待機模式，隻在響應用戶輸入或進行定期測量時才會激活，因此在待機模式下，盡量減少功耗是最優先考慮的事情。

 

DCS-Control™（無縫轉換至節能模式的直接控製）拓撲綜合了三種不同控製方案（即遲滯模式、電壓模式和電流模式）的優點，以改善輕負載條件下的性能，特別是過渡至或離開輕負載狀態時。該拓撲支持中型和重型負載的PWM模式，以及用於輕負載的省電模式 (PSM)。

 

在PWM操作過程中，係統根據輸入電壓，以其額定開關頻率運行
，並控製頻率變化。如果負載電流降低
，轉換器就會切換到PSM以保持高效率，直到降至非常輕的負載。在PSM下
，開關頻率隨負載電流線性降低。這兩種模式均由單個控製塊進行控製
，因此從PWM到PSM的轉換是無縫的

，不會影響輸出電壓。

 

圖3是DCS-Control™框圖。控製回路獲取關於輸出電壓變化的信息，並將其直接反饋給快速比較器。比較器設置開關頻率（作為穩態運行條件的常數），並對動態負載變化提供即時響應。電壓反饋回路可以精確地調節DC負載。經過內部補償的調節網絡通過小型外部組件和低ESR電容器便可實現快速穩定的操作。

 

圖3：DCS-Control™拓撲在TPS62130降壓轉換器中的實現（資料來源：Texas Instruments）

 

TPS6213xA-Q1同步開關式電力轉換器基於DCS-Control™拓撲，針對高功率密度的POL應用進行了優化。典型的2.5MHz開關頻率允許使用小型電感器
，並能提供快速瞬態響應和高輸出電壓精度。TPS6213可以在3V到17V的輸入電壓範圍內操作，並且可以在0.9V和6V的輸出電壓之間輸出高達3A的連續電流。

本文轉載自貿澤電子設計圈。

 

 

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