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溯高美:降压型开关电源的发展

时间:2017-05-15 13:01    点击量:

电源作为电子产品的动力中枢,其续航能力直接决定着电子产品的使用寿命。随着集成电路制造工艺的不断进步,数字电路的电源电压一直下降,但系统的供电电源还是在较高的电位,因此必须靠降压型电源来提供较低的供电电源。开关电源技术问世之前,线性电源作为各类电子产品的主要电源,能够实现直流高电压向直流低电压的单向变换,适用于低压差的电压转换和低负载电流的应用。要提高电子产品的性能,节约能源,关键是要解决电源的性能问题。由于开关电源具有功耗小、变换效率高等优良性能,加上生产成本低,已经逐渐取代了线性电源,在电子行业得以广泛使用。
开关电源发展之初,功率级多采用分立器件,应用简单的异步整流技术,如图(1)所示。

同步整流技术采用MOSFET代替整流二极管,由于MOSFET的导通电阻很低,整流器件的导通损耗大大降低,提高了转换效率,同步整流技术尤其适宜应用在低电压、大电流的场合。同步整流BUCK如图(2)所示。


进入90年代中后期,随着集成电路的发展,MOS分立元件集成到芯片中,DCDC BUCK整体性能大幅提高,同时降低了成本,显示出强大的生命力。对于电流不是很大的BUCK, 功率级High Side MOS多采用PMOS,这样控制电路简单。而对于大电流BUCK,则改用经济的NMOS,NMOS的栅电压要通过自举电路抬高,如图(3)所示。

电压控制模式系统结构简单,因其只有电压反馈一个环路,动态响应慢,存在双极点,补偿复杂。电流模式控制在保留电压控制模式的基础上,又增加了一个电流反馈环,即存在电压反馈外环和电流反馈内环的双环控制系统。电流模式控制闭环响应快,单极点系统易于补偿。但当占空比(D)大于50%时,易产生次谐波振荡,各种谐波补偿电路应运而生,弥补了不足,在很长一段时间,电流模式控制DCDC一直是电源的主流。

受到摩尔定律的指引,半导体制程的线宽不断缩小,智能手机、平板电脑和数码相机等市场上的便携式设备做得越来越轻薄,功能越来越强大。然而数码产品所需电源电压不断下降,电流不断增加,对电源性能的要求不断提高,传统PWM模式DCDC,已不能满足市场需要。

近些年,COT(Constant-On-Time)控制架构得以广泛应用。COT架构的DCDC具有几大优势:1、控制电路简单,不需要误差放大器和电流采样电阻。2、对负载的变化响应快速。3、轻载时仍有较高效率。输出级电容的ESR(串联等效电阻)自带电感电流信息,只要其“信息”足够(所产生纹波可以和电容纹波比拟)就可以作为电流检测电阻使用,以实现只用输出电压就可以获得电流模式控制[1] [2] [3]。


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