【導讀】電力系統設計人員正面臨來自市場的持續壓力，努力尋找充分利用可用電力的方法。在便攜式設備中，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。在服務器和基站中，效率的提升更是可以直接節省基礎設施（冷卻系統）和運營成本（電費）。
為滿足市場需求，系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、封裝創新和以碳化硅（SiC）和氮化鎵（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于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。這延長了便攜式系統的電池壽命，降低了大型設備的電力成本，并且可以省下以前用于散熱部件的空間。
轉至開關式拓撲有一定的缺點，其更復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、電磁學及閉環控制。印刷電路板（PCB）的設計人員必須更加注意電磁干擾（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系統，其使用了機械振動器來實現汽車點火系統的反激式升壓轉換器。
大多數標準拓撲已經存在了幾十年，但這并不意味著工程師不會調整標準設計來適應新的應用，特別是控制回路。標準架構使用固定頻率，在不同的負載條件下，通過反饋部分輸出電壓（電壓模式控制）或控制感應電流（電流模式控制）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制（VMC）系統的框圖。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。脈寬調制器（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沖序列。
雖然VMC系統的不同負載皆有嚴格的輸出規則，且容易與外部時鐘同步，但標準架構有一些缺陷。回路補償降低了控制回路的帶寬，放緩了瞬態響應的速度；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）控制方案提供了良好的瞬態性能。COT控制使用比較器來比較調節后的輸出電壓和參考電壓：當輸出電壓小于參考電壓時，就會生成一個固定導通時間脈沖。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控制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控制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系統的比較。
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控制器使用D-CAP+架構，主要用于高電流應用，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%。
不同于D-CAP，D-CAP+反饋環增加了一個與感應電流成比例的部件，用于實現精確的下垂控制。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。
控制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
對于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于低功耗的“暫時休眠”或“睡眠”待機模式，只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制）拓撲綜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，以及用于輕負載的省電模式 (PSM)。
在PWM操作過程中，系統根據輸入電壓，以其額定開關頻率運行，并控制頻率變化。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制塊進行控制，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。控制回路獲取關于輸出電壓變化的信息，并將其直接反饋給快速比較器。比較器設置開關頻率（作為穩態運行條件的常數），并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于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，并能提供快速瞬態響應和高輸出電壓精度。TPS6213可以在3V到17V的輸入電壓范圍內操作，并且可以在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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