作為分布式電源架構(gòu)(DPA)的一部分，負載點轉(zhuǎn)換器集成了電源控制和開關(guān)功能，有助于減少器件的數(shù)量和印刷電路板(PCB)的占用面積，并提升電源的轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)DPA的演進意在消除中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接從更高且穩(wěn)定的總線電壓給負載點供電。這種方法可以避免在傳統(tǒng)兩級架構(gòu)中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換損耗。
來自節(jié)省能源、尺寸和成本的持續(xù)壓力全面定義了服務(wù)器、電信基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)自動化和消費類產(chǎn)品等設(shè)備的電源設(shè)計要求。高能效和高集成度的負載點(POL)穩(wěn)壓器對于滿足這些要求來說就變得特別重要。
作為分布式電源架構(gòu)(DPA)的一部分，負載點轉(zhuǎn)換器集成了電源控制和開關(guān)功能，有助于減少器件的數(shù)量和印刷電路板(PCB)的占用面積，并提升電源的轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)DPA的演進意在消除中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，直接從更高且穩(wěn)定的總線電壓給負載點供電。這種方法可以避免在傳統(tǒng)兩級架構(gòu)中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換損耗。
工程師可以在使用集成式負載點穩(wěn)壓器(如國際整流器公司的SupIRBuck系列)的各種系統(tǒng)中應(yīng)用這種方法。這些器件在同一封裝內(nèi)充分整合了提供基準傳導效率的HEXFET MOSFET和控制電路。
由于系列產(chǎn)品覆蓋寬范圍的輸入電壓，這些穩(wěn)壓器可以直接在如12V至27V的電壓導軌下工作，因而不需要轉(zhuǎn)換到較低的中間電壓。SupIRBuck系列和類似器件還提供了內(nèi)置保護特性和增殖功能，例如允許精確編程輸出電壓的精密電壓參考。
為了確保在很寬的負載范圍內(nèi)都具有最佳的電源效率，穩(wěn)壓器控制方案的選擇非常關(guān)鍵。SupIRBuck系列使用滯后的恒定導通時間(COT)調(diào)制技術(shù)，可以在從輕載到滿載的整個工作范圍內(nèi)保持最佳的電能效率。
COT穩(wěn)壓
與傳統(tǒng)電壓模式穩(wěn)壓器通過調(diào)制占空比保持電壓穩(wěn)定不同，COT控制器調(diào)制的是開關(guān)頻率。為了保持恒定的導通時間，開關(guān)頻率將隨負載電流增加而增加，以便提供所需的能量。
相反，當負載電流減小時，開關(guān)頻率將隨之降低。這個規(guī)律使得COT控制器可以在很寬的負載范圍內(nèi)保持高能效值，而恒定頻率控制器使用跳周方法來避免輕載時的低效率工作。
圖1給出了具有恒定導通時間控制特性的穩(wěn)壓器的主要功能模塊。原則上，滯后的COT控制技術(shù)通過比較反饋電壓紋波與內(nèi)部參考電壓來維持輸出的穩(wěn)定。
圖1：原則上，滯后式COT控制技術(shù)通過比較反饋電壓紋波與內(nèi)部參考電壓來保持輸出電壓穩(wěn)定。
在啟動期間，軟啟動電壓要低于穩(wěn)壓器的參考電壓。在這個階段，軟啟動電壓用作內(nèi)部參考以確保平滑的輸出電壓上升。當軟啟動電壓達到穩(wěn)壓器的參考電壓之后，反饋電路將跟蹤穩(wěn)壓器的參考電壓，而軟啟動電壓可能繼續(xù)增加。
當反饋電壓紋波下降至低于內(nèi)部參考電壓時，比較器將發(fā)出一個信號使高側(cè)功率MOSFET導通，并保持一段時間，這段導通時間由FF和VIN(輸入電壓)引腳之間連接的電阻編程設(shè)定。
經(jīng)過這個電阻的電流被鏡像后用于控制電容的充電速率，當電容電壓達到導通時間參考電壓時，將觸發(fā)高側(cè)MOSFET的關(guān)斷和低側(cè)MOSFET的導通。這樣，高側(cè)MOSFET的導通時間反比于輸入電壓，即輸入電壓增加時，導通時間將縮短；輸入電壓降低時，導通時間將增加。
一旦啟動觸發(fā)信號，低側(cè)MOSFET將在盡可能短的時間內(nèi)保持導通，以便給自舉電容充電。在正常操作或連續(xù)導通模式(CCM)期間，當高側(cè)MOSFET導通時，低側(cè)MOSFET將關(guān)斷。SupIRBuck穩(wěn)壓器通過自適應(yīng)死區(qū)時間控制來防止器件擊穿。
輕載效率
在輕載條件下，COT控制器可以工作在非連續(xù)導通模式(DCM)，最大限度地減少功率損失。當電感電流紋波超過負載電流時，電感電流可以按反向流動，為輸出電容放電。
為避免反向電流流動并防止不必要的功率損失，當電感電流紋波達到零時，低側(cè)MOSFET將關(guān)斷。這是通過用比較器監(jiān)控電感電流將要反向流動時的開關(guān)節(jié)點電壓和信號來實現(xiàn)的。當高側(cè)和低側(cè)MOSFET同時關(guān)斷時，電感電流將保持為零。
當反饋電壓放電到低于內(nèi)部參考電壓時，后續(xù)的開關(guān)周期就開始了，開關(guān)頻率則是依據(jù)負載使輸出電容放電的速度來進行調(diào)制。因此，輕載條件下的開關(guān)頻率將降低，從而有效減少了開關(guān)和柵極驅(qū)動損耗，而這些損耗是輕載時主要的功率損耗因素。
由于COT控制器是使用比較器而不是誤差放大器來比較反饋電壓紋波與內(nèi)部參考電壓，因此一般不需要外部補償網(wǎng)絡(luò)，從而減少了元器件的數(shù)量和總體設(shè)計的復雜性。
另外，由于這種方案的響應(yīng)時間僅受高側(cè)MOSFET的恒定導通時間和低側(cè)MOSFET的最小導通時間所限制，因此COT控制器還能提供卓越的瞬態(tài)響應(yīng)特性。當負載逐步增加時，COT控制器可以迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且下沖非常小(圖2)。
圖2：當負載逐步增加時，控制器可快速達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且下沖很小。與其它優(yōu)點相比，這種特性可確保系統(tǒng)從低功耗或待機模式快速恢復到滿載穩(wěn)定工作狀態(tài)。
這是COT控制器的一個優(yōu)勢所在，能夠確保從低功耗或待機模式快速恢復到滿載穩(wěn)定的工作狀態(tài)。相反，當負載減少時，可以在短至一個開關(guān)周期內(nèi)重新到達穩(wěn)定狀態(tài)，因為高側(cè)MOSFET不會導通，除非反饋電壓下降到內(nèi)部參考電壓以下。
設(shè)計工具
采用COT控制技術(shù)的IR347x系列SupIRBuck穩(wěn)壓器覆蓋了從6A至15A的寬負載范圍，并且集成了關(guān)鍵的系統(tǒng)管理和保護功能，包括過溫保護、熱補償過流保護、過壓/欠壓保護、預偏置啟動功率正常輸出及一個帶電壓監(jiān)視功能的使能輸入。整個系列器件采用4mm×5mm或5mm×6mm的功率方形扁平無引線(PQFN)封裝，而且可擴展到更高的額定電流值。
共有6種評估板可供選擇，支持用于27V輸入應(yīng)用的IR347x系列及IR3863和IR3865 12V輸入器件。IRDC347x評估板可以幫助開發(fā)人員解決工作電壓導軌高達27V的輕工業(yè)和電池供電設(shè)備等應(yīng)用所面臨的電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)(圖3)。IRDC特別適用于以第二代Intel內(nèi)核處理器為目標的計算項目以及包括打印機、液晶電視和游戲機在內(nèi)的消費類DC-DC應(yīng)用。
圖3：IRDC347x評估板可以幫助開發(fā)人員解決工作電壓導軌高達27V的輕工業(yè)和電池供電設(shè)備等應(yīng)用所面臨的電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)。
本文小結(jié)
如今，成功的電源設(shè)計不僅取決于能否滿足最終用戶對符合生態(tài)設(shè)計的更綠色產(chǎn)品的要求，而且取決于是否能夠提供具有更低成本、更高性能和可靠性的產(chǎn)品。
結(jié)合恒定導通時間控制技術(shù)支持的高效率、瞬態(tài)性能和器件數(shù)量的減少優(yōu)勢，以及集成在同一封裝內(nèi)的基準功率MOSFET，如今的負載點轉(zhuǎn)換器可以幫助設(shè)計人員滿足上述這些目標要求，從而縮短產(chǎn)品的上市時間。
作者：Marian Chang，John Lambert
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