原創(chuàng)文章

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正面臨來自市場的持續(xù)壓力，努力尋找充分利用可用電力的方法。

在便攜式設(shè)備中，更高的效率可以延長電池的使用壽命，并將更多功能放入更小的封裝中。在服務(wù)器和基站中，效率的提升更是可以直接節(jié)省基礎(chǔ)設(shè)施（冷卻系統(tǒng)）和運(yùn)營成本（電費(fèi)）。

為滿足市場需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在改進(jìn)多個(gè)領(lǐng)域的電力轉(zhuǎn)換過程，包括更高效的開關(guān)式拓?fù)洹⒎庋b創(chuàng)新和以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為基材的新型半導(dǎo)體器件。

開關(guān)式轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞母倪M(jìn)

為充分利用可用電力，人們越來越多地采用基于開關(guān)技術(shù)而不是線性技術(shù)的設(shè)計(jì)。開關(guān)式電源（SMPS）的有效功率高達(dá)90%以上。這延長了便攜式系統(tǒng)的電池壽命，降低了大型設(shè)備的電力成本，并且可以省下以前用于散熱部件的空間。

轉(zhuǎn)至開關(guān)式拓?fù)溆幸欢ǖ娜秉c(diǎn)，其更復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員具有多元化的技能。設(shè)計(jì)工程師必須熟悉模擬和數(shù)字技術(shù)、電磁學(xué)及閉環(huán)控制。印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)人員必須更加注意電磁干擾（EMI），因?yàn)楦哳l開關(guān)波形會使敏感的模擬電路和射頻電路產(chǎn)生問題。

在晶體管發(fā)明之前，就已經(jīng)有人提出了開關(guān)式電力轉(zhuǎn)換的基本概念：例如，1910年發(fā)明的凱特式感應(yīng)放電系統(tǒng)，其使用了機(jī)械振動器來實(shí)現(xiàn)汽車點(diǎn)火系統(tǒng)的反激式升壓轉(zhuǎn)換器。

大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)湟呀?jīng)存在了幾十年，但這并不意味著工程師不會調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)來適應(yīng)新的應(yīng)用，特別是控制回路。標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)使用固定頻率，在不同的負(fù)載條件下，通過反饋部分輸出電壓（電壓模式控制）或控制感應(yīng)電流（電流模式控制）來保持恒定的輸出電壓。設(shè)計(jì)人員已經(jīng)在不斷改進(jìn)，以克服基本設(shè)計(jì)的缺陷。

圖1：電壓模式的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌ㄙY料來源：Texas Instruments）

圖1是基本閉環(huán)電壓模式控制（VMC）系統(tǒng)的框圖。功率級由電源開關(guān)和輸出濾波器組成。補(bǔ)償塊包括輸出電壓分壓器、誤差放大器、參考電壓和回路補(bǔ)償元件。脈寬調(diào)制器（PWM）使用比較器將誤差信號與固定斜坡信號進(jìn)行比較，生成與誤差信號成比例的輸出脈沖序列。

雖然VMC系統(tǒng)的不同負(fù)載皆有嚴(yán)格的輸出規(guī)則，且容易與外部時(shí)鐘同步，但標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)有一些缺陷。回路補(bǔ)償降低了控制回路的帶寬，放緩了瞬態(tài)響應(yīng)的速度；誤差放大器則增加了作業(yè)電流，降低了效率。

在不需要回路補(bǔ)償?shù)那闆r下，恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）控制方案提供了良好的瞬態(tài)性能。COT控制使用比較器來比較調(diào)節(jié)后的輸出電壓和參考電壓：當(dāng)輸出電壓小于參考電壓時(shí)，就會生成一個(gè)固定導(dǎo)通時(shí)間脈沖。在低占空比條件下，這會導(dǎo)致開關(guān)頻率非常高，因此自適應(yīng)COT控制器便會生成一個(gè)隨輸入和輸出電壓而變化的導(dǎo)通時(shí)間，這在穩(wěn)定狀態(tài)下可以保持頻率幾乎不變。

Texas Instrument的D-CAP拓?fù)涫菍ψ赃m應(yīng)COT方法的改進(jìn)：D-CAP控制器在反饋比較器的輸入中增加了一個(gè)斜坡電壓，通過減少應(yīng)用中的噪聲頻帶，斜坡改善了抖動性能。圖2是COT和D-CAP系統(tǒng)的比較。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)COT拓?fù)洌╝）和D-CAP拓?fù)洌╞）的比較（資料來源：Texas Instruments）

針對不同的需求，D-CAP拓?fù)溆袔追N不同的變體。例如，TPS53632半橋PWM控制器使用D-CAP+架構(gòu)，主要用于高電流應(yīng)用，可以在48V到1V的POL轉(zhuǎn)換器中驅(qū)動高達(dá)1MHz的功率級，效率高達(dá)92%。

不同于D-CAP，D-CAP+反饋環(huán)增加了一個(gè)與感應(yīng)電流成比例的部件，用于實(shí)現(xiàn)精確的下垂控制。在各種線路和負(fù)載條件下，增加的誤差放大器都可以提升DC負(fù)載的準(zhǔn)確性。

控制器的輸出電壓通過內(nèi)部DAC設(shè)置。當(dāng)電流反饋達(dá)到誤差電壓水平時(shí)，這個(gè)周期就會開始。此誤差電壓與DAC設(shè)定點(diǎn)電壓和反饋輸出電壓之間經(jīng)過放大的電壓差相對應(yīng)。

改善輕負(fù)載條件下的性能

對于便攜式和可穿戴設(shè)備，需要改善輕負(fù)荷條件下的性能，以延長電池壽命。許多便攜式和可穿戴應(yīng)用在大部分時(shí)間處于低功耗的“暫時(shí)休眠”或“睡眠”待機(jī)模式，只在響應(yīng)用戶輸入或進(jìn)行定期測量時(shí)才會激活，因此在待機(jī)模式下，盡量減少功耗是最優(yōu)先考慮的事情。

DCS-Control?（無縫轉(zhuǎn)換至節(jié)能模式的直接控制）拓?fù)渚C合了三種不同控制方案（即遲滯模式、電壓模式和電流模式）的優(yōu)點(diǎn)，以改善輕負(fù)載條件下的性能，特別是過渡至或離開輕負(fù)載狀態(tài)時(shí)。該拓?fù)渲С种行秃椭匦拓?fù)載的PWM模式，以及用于輕負(fù)載的省電模式 (PSM)。

在PWM操作過程中，系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓，以其額定開關(guān)頻率運(yùn)行，并控制頻率變化。如果負(fù)載電流降低，轉(zhuǎn)換器就會切換到PSM以保持高效率，直到降至非常輕的負(fù)載。在PSM下，開關(guān)頻率隨負(fù)載電流線性降低。這兩種模式均由單個(gè)控制塊進(jìn)行控制，因此從PWM到PSM的轉(zhuǎn)換是無縫的，不會影響輸出電壓。

圖3是DCS-Control?框圖。控制回路獲取關(guān)于輸出電壓變化的信息，并將其直接反饋給快速比較器。比較器設(shè)置開關(guān)頻率（作為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件的常數(shù)），并對動態(tài)負(fù)載變化提供即時(shí)響應(yīng)。電壓反饋回路可以精確地調(diào)節(jié)DC負(fù)載。經(jīng)過內(nèi)部補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)通過小型外部組件和低ESR電容器便可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定的操作。

圖3：DCS-Control?拓?fù)湓赥PS62130降壓轉(zhuǎn)換器中的實(shí)現(xiàn)（資料來源：Texas Instruments）

TPS6213xA-Q1同步開關(guān)式電力轉(zhuǎn)換器基于DCS-Control?拓?fù)洌槍Ω吖β拭芏鹊腜OL應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。典型的2.5MHz開關(guān)頻率允許使用小型電感器，并能提供快速瞬態(tài)響應(yīng)和高輸出電壓精度。TPS6213可以在3V到17V的輸入電壓范圍內(nèi)操作，并且可以在0.9V和6V的輸出電壓之間輸出高達(dá)3A的連續(xù)電流。

作者簡介

作為一名自由職業(yè)技術(shù)作家，Paul Pickering寫了很多文章，涉及的主題包括半導(dǎo)體元件與技術(shù)、無源器件、封裝、電力電子系統(tǒng)、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、嵌入式軟件、EMC和替代能源。Paul在電子行業(yè)擁有超過35年的工程和市場營銷經(jīng)驗(yàn)，對汽車電子、精密模擬、功率半導(dǎo)體、嵌入式系統(tǒng)、邏輯設(shè)備、飛行模擬和機(jī)器人領(lǐng)域均有涉獵。他在數(shù)字和模擬電路設(shè)計(jì)、嵌入式軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面都有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。他出生于英格蘭東北部，曾在歐洲、美國和日本生活和工作。他擁有倫敦大學(xué)皇家霍洛威學(xué)院物理與電子學(xué)士學(xué)位，并在塔爾薩大學(xué)攻讀了研究生。