用TPS5211高频迟滞控制器设计同步降压稳压器

TI公司TPS5210系列控制器所采用的迟滞模式控制已被普遍用于微处理器和DSP或其他高转换率变换负载的快速瞬态响应电源中，这是因为迟滞模式控制是一种具有很好动态特性，又非常简单的方案。采用迟滞控制器的一个同步降压变换器实例示于图1。

迟滞控制器是一个自振荡电路，靠保持输出电压在由基准电压稳压器和比较器所设计的迟滞窗口内来实现调整输出电压。实际的输出纹波电压是由内部延迟和输出电容器特性所决定的迟滞电压、过冲的组合。

这种器件没有慢的反馈回路而在瞬间发生的同一开关周期影响负载电流瞬态。瞬态响应时间只依赖迟滞比较器和驱动电路中的延迟。比较器输入的高频噪声滤波器也增加一些延迟。这些延迟依赖于所选择的技术水平，因此，迟滞控制与其他控制方法相比具有最快的瞬态响应。迟滞控制器的另一优点是它的占空因数从0至1全范围。它对功率开关导通间隔没有任何限制，这与大多数其他控制方法不同。因此，在负载电流瞬态之后输出电压恢复时间是最短的。迟滞控制的优异动态特性使输出滤波器大小和成本都较低。

这种控制方法的开关频率低赖于输出滤波器特性、输出和输入电压、迟滞窗口和内部延迟。开关频率简化议程式为：

fs≌[VOUT×(VIN-VOUT)×ESR] / (VIN×L×迟滞窗口）

式中ESR是输出电容器的等效串联电阻，L是输出电感器值。

对于高频工作（大于400kHz），可降低迟滞窗口，但频率变化显得更重要，因为输出电容器寄生性、延迟和噪声影响。另一个问题是输出电容器的类型。从上述方程可见，开关频率正比于ESR。这意味着用一个非常低值ESR的"理想"电容器（如把很多陶瓷电容器并联）成为问题，因为工作频率变得相当低。TI公司的TRS5211迟滞控制器克服了这些问题。

TPS5211特性

TPS5211控制器功能框图与TPS5211相同。所不同的是高频工作（高达700kHz）所规定的参量和特性。另外需要少量外部元件加到dc-dc变换器上。由TPS5211迟滞控制器组成的同步降压变换器简图示于图2.

在dc-dc稳压器中增加了Radd-Cadd电路。Radd连接在迟滞比较器输入和功率开关中点之间。Cadd连接在比较器输入和地之间。Radd-Cadd电路形成通过迟滞比较器输入的另一个斜波信号：来自Radd-Cadd电路的斜波信号和来自变换器输出的信号经比较器输入求和。选择合适的Radd和Cadd，可使附加斜波信号的幅度大于变换器的输出纹波。结果，开关频率比较高，而输出纹波变得比较小。开关频率依赖于Radd-Cadd值而不依赖于输出滤波器特性，包括ESR、ESL和输出电容器C。TPS5211控制器开关频率简化方程式为：

fs=1/Ts

Ts=VIN×Radd×Cadd×迟滞窗口 / VREF×（CIN-VREF+TDELAY×（2+VREF / CIN-VREF+VIN-VREF / VREF）

式中TDELAY为比较器和驱动电路延迟。

在同一时间，来自变换器输出的反馈信号控制输出电压的dc电平，输出电压由下式输出

VOUT=VREF×[1+R1×Radd / R2×(R1+Radd)]

从上式可见，输出电压VOUT依赖于附加电阻器Radd。为避免这种依赖性，可增加一个与Radd。串联的dc去耦电容器Cd（见图4）。

用去耦电容器Cd后，输出电压由下式输出：

VOUT=VREF×[1+R1 / R2]

开关频率不低赖于输出电容器件性，所以在该dc-dc变换器中用高频、价廉陶瓷或薄膜电容器可保持同样优异的负载电流瞬态响应特性。

Radd-Cadd电路增加控制器的前馈性能，这也改善了输出电压瞬态响应特性。

结语

用TPS5211控制器改进迟滞控制方法，用增加简单的外部电路施加一个附加斜波信号到迟滞比较器输入能显著地改变dc-dc稳压器的性能。其开关频率不低赖于输出滤波器特性和寄生性，而输出纹波低于迟滞窗口。高开关频率与快速瞬态响应一起使下一代微处理器和DSP所严格要求的输出滤波成本降低50～60%。