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一文带你了解降压型稳压芯片原理

2022-05-18
来源:Excelpoint

前言

在电路系统设计中,总是离不开电源芯片的使用,林林总总的电源芯片非常多,比如传统的线性稳压器7805、低压差线性稳压器(LDO)、开关型降压稳压器(Buck DCDC)等,那么它们到底有什么区别呢?Excelpoint世健的工程师Wolfe Yu在此对各种降压型稳压芯片的原理进行了科普。

降压型稳压芯片的主要分类

串联线性稳压电路原理

串联线性稳压电路主要思路来自于基本线性调整模型。在输入直流电压和负载之间串入一个三极管,其作用就是当输出阻抗发生变化引起输出电压同步变化时,通过某种反馈形式使三极管的发射极也随之变化,从而调整输出电压值,以保持输出电压基本稳定。由于串入的三极管是起着电压调整作用的,所以,这个三极管也称为调整管。

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图1 LDO基本模型

基本线性调整管的输出电压,主要由稳压管的电压来决定,无法实现自动调节。为了让输出电压可以自由设定,从而不受稳压管影响,一般会加入运算放大器,通过比例系数调节输出电压。

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图2 可调LDO模型

LDO直流输入电压和负载调整率、输入电压和负载瞬态响应、电源抑制比(PSRR)、输出噪声和精度在各种降压型稳压器中,都是最优,对于高精度模拟前端应用场合十分必要。所以,产品应用的核心电源,都会采用高精度LDO供电。

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图3 LDO主要功耗模型

LDO也会面临另一个问题,效率比较低。主要是稳压调整管所需击穿饱和电流、运放反馈回路电流、以及输出电压与压差和电流产生的热能损耗等等。一般来说,我们把输入电流和Iin输出电流Iout的差值,称为接地电流(IGND),接地电流包括静态电流(IQ),LDO的效率公式如下。

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接地电流是影响LDO效率的一个因素,但是,相对于调整管的压降来说,如同九牛一毛,可以忽略不计。真正影响LDO效率的是输入输出之间的电压差。

一般来说,市面上常用的串联线性稳压电路通常会采用五种常用的结构,大体分为:经典NPN型结构LDO(A)、基于PNP驱动的NPN输出型低压差结构LDO(B)、PNP型低压差结构LDO(C)、P沟道低压差LDO(D)、N沟道低压差LDO(E)。

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图4 常见LDO产品架构

初步分析:经典NPN型结构LDO,输入输出压差基本要求满足3V左右。基于PNP驱动的NPN输出型低压差结构LDO,输入输出压差需要达到1.5V。PNP型低压差结构LDO、P沟道低压差LDO和N沟道低压差LDO属于真正的低压差LDO,P沟道低压差LDO对于散热要求很高,N沟道低压差LDO相对工艺复杂。PNP型低压差结构LDO相对简单,输入输出压差基本控制在0.3V——0.6V之间。市面上,选择C和D方案作为LDO架构的厂商较多。

串联开关稳压电路原理

前面我们提到,LDO有着较大的负载调整率、输入电压和负载瞬态响应、电源抑制比(PSRR)、输出噪声和精度。但是由于效率太低,随着节能减排、PCBA的布局布线等要求,在很多高压差的场合,人们不得不寻求新的替代方案。

随着半导体技术和磁性材料的发展,通过调整开关管通断、采用换能的方式,输出相对稳定的电压的DCDC应运而生。

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图5 Buck DCDC基本拓扑

正常工作状态下,BUCK型DCDC主要工作在连续导通模式(CCM),这种模式下,电感器上有连续电流,这种情况也称为重载模式,DCDC主要是通过电感电压伏秒平衡原理,来实现降压功能。

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图6 Buck DCDC连续导通模式及输出波形

从上图来看,我们可以计算出BUCK型DCDC的输出电压和输入电压之间的关系,主要依赖于开关管的导通时间。

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对于开关电源来说,影响开关电源功耗的因素,主要集中在开关管MOSEFET、门极驱动、电感磁芯损耗和线损上面。

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图7 Buck DCDC主要损耗因素

相对于线性稳压电源来说,开关稳压电源的效率可以达到90%以上,相对损耗几乎忽略不计。所以,在很多应用场合,特别是较大输出压差和较大输出功率的情况下,工程师几乎统一都是采用这种Buck电源。

开关电源Buck电路的控制方案

PWM脉冲调制技术

传统电流模式的开关电源,采用的方式是将采样电流与电压反馈环路中误差放大器的输出进行比较,以生成控制MOSFET的PWM脉冲。

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图8 PWM核心控制机理

电压模式是PWM脉冲调制一种常用的调制方式,主要采用固定频率三角波和误差做比较,采用三角波和误差幅值调整占空比。

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图9 电压调整模式架构

峰值电流模式是PWM脉冲调制的另一种常用的调制方式,占空比主要由电流环决定,电压环决定电流信号参考。

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图10 峰值电流模式架构

 

COT调制技术

PWM频率恒定,其在整个负载频率范围内的纹波电压和输出噪声都是非常低的,每个开关管在切换的时候都会产生开关损耗,特别是其在轻负载时,还保持较高的开关频率,开关损耗比重加大,效率会降低。

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图11 DCM模式电感电流环示意

我们知道,当负载电流非常小时,或者说电感器的值小于临界电感时,转换器开关就会工作在不连续导通模式(DCM)。极端情况下,假设负载为0,转换器开关就会只转换一次就不再工作。实际上,由于开关电源的ESR,反馈回路等等形成的阻抗产生电路损耗。此时,控制MOSFEET的PWM脉冲宽度明显小于正常连续开通模式(CCM)的脉冲宽度。

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图12 DCM模式电感电压与电流波形

同时,每个MOSFEET开关管的切换时间,总是存在相对固定的开通和关断时间,这就是开关损耗。如果我们在DCM模式下,能降低开关切换频率。就会降低开关损耗。

基于PFM的COT可以很好的解决上述难题,与传统电压/电流模式控制相比,恒定导通时间控制(COT)结构则非常简单,它通过反馈电阻来采样输出电压,然后将输出电压纹波谷值直接与参考电压进行对比,生成固定的导通时间脉冲来导通上管MOSFET。

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图13 COT核心控制机理

COT架构无需传统电压/电流模式DC/DC控制中的补偿网络,只需要一个参考比较器输出来触发定时脉冲发生器。变换器的设计更加简单,因为元器件变得更少,也无需花费很多时间来调整补偿值。COT 变频控制结构在轻载时,脉冲频率得到了进一步的降低,可以保持较高的效率。COT架构也存在一些缺点:首先,每次导通时间固定,频率会随占空比发生变化,针对这种情况,我们一般在电路上调整假负载,控制频率因素。其次,COT架构的另一个缺点,需要依靠FB引脚上的纹波调整占空比,输出纹波很大。

多相交错并联降压技术

如果变换器的开关频率一致,并且在各变换器之间加一定的相移,可以减少输入输出电流纹波,这种称之为多相交错并联降压技术。

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图14 多相交错并联移向技术架构

多相交错并联Buck型DCDC变换器是由多个变换器并联,共同为负载提供电流。每个驱动信号频率相同,相位错开。

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图15多相交错并联移向电流纹波

用交错并联后电流由交错电流叠加,如果叠加相位匹配控制得好,电流纹波会随相位增加而降低,电压纹波也会相应降低。

多相交错并联COT架构电源对于轻载、重载自由切换的大功率通信应用场合意义十分重大,特别是5G通信电源,需要满足超大射频发射功率等应用场景。

Microchip基于双相交错先进COT Buck电源的解决方案

Excelpoint世健代理的产品线Microchip推出基于双相交错先进恒定导通时间(COT)同步降压控制器的MIC21LV33系列电源芯片。该芯片采用独特的自适应导通时间控制架构,支持超轻负载模式和切相功能。控制部分采用超高速控制器,在中等负载至重负载条件下支持超快速瞬态响应。支持从外部通过电容编程软启动,实现安全启动进入重载模式。该芯片还集成一个远程检测放大器,用于精确控制输出电压。

MIC21LV33提供全套保护功能,确保在故障状态期间保护芯片。包括:电源电压跌落条件下正常工作的欠压锁定、降低浪涌电流的可编程软启动、过压放电、“打嗝”模式短路保护、以及热关断。

MIC21LV33产品主要特征:

-输入电压范围:4.5V——36V

-输出电压、电流:0.6V——28V,最低0.6V,精度±1%。最大输出电流:50A。

-开关频率范围:100kHz——1MHz/Phase

-MIC21LV33集成远程检测放大器,用于精确控制输出电压。

-封装:32脚 5mm x 5mm VQFN

-温度范围:-40℃——125℃。

图16 MIC21LV33 评估板

MIC21LV33该产品可应用于:分布式电源系统、通信/网络基础设施、打印机、扫描仪、视频设备、以及FPGA/CPU/MEM/GPU内核电源。该产品可以支持最大8相堆叠,电流输出高达200A。满足各种应用场景,Excelpoint世健可提供相应技术指导及样品支持。

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