自从上个世纪九十年代早期最初提出SIMPLE SWITCHER的概念以来,SIMPLE SWITCHER的术语和产品已经对低压DC/DC转换电源市场带来了明显的改变。曾经有一段时期,大多数低功率DC/DC电压转换都是通过线性调节器实现的。SIMPLE SWITCHER调节器使那些在开关模式电源设计领域缺乏背景和经验的电路设计师们也可以构建相应的电源供应器。该产品系列所取得的巨大成功,以及目前SIMPLE SWITCHER调节器家族新成员的发布,促使我们回顾历史,追溯到开关调节器概念的起源阶段。
大约16年前,美国国家半导体推出了SIMPLE SWITCHER系列产品。当时推出了该类型的第一个产品系列,并且配备了大量的支持服务,因此不要求潜在用户具有相应的电源设计经验。首先,所有器件都包含一个简单而且按部就班的外部元件选择指南。它不仅给出了推荐的元件取值,甚至还提供了在说明书的外部元件列表里进行选择的元器件的精确编号。功率晶体管的选择需求简化为对具有特定电流等级SIMPLE SWITCHER调节器的选择。由于包含了功率晶体管,选择的过程变得更加简单。
SIMPLE SWITCHER 器件本身具有很少的引脚而且所需的外部元件的数目也较少。通过把环路补偿集成到IC中,电源设计的一个主要顾虑也被请出了公式。这里提供给用户一定范围内的外部元件进行操作,而且设定了SIMPLE SWITCHER调节器的内部补偿,从而使设计的电路能够保持在稳定的范围。这将消除设计人员耿耿于怀的那些由于电路不稳定所带来的设计顾虑和风险。
更重要的是,每个SIMPLE SWITCHER评估工具包都伴随在一个电脑光盘里(含有SMS)寄出。回溯到上个世纪九十年代早期,那时候该缩写(SMS)还没有因为移动电话的短消息服务而众所周知。当时它代表Switchers Made Simple,是美国国家半导体WEBENCH在线仿真工具的前身。现在还可以从美国国家半导体的网站上下载到Switchers Made Simple软件,与WEBENCH软件类似,用户也能够利用它对开关模式电源设计进行仿真。这有助于设计人员针对特定设计挑选合适的外部元件,以及针对终端应用优化电路结构,与实验台上的迭代方法相比,这种方法既缩短了时间又节约了金钱。
在1990年推出的第一批产品中,SIMPLE SWITCHER系列仅由少数器件组成。对于步降和步增开关来说,都存在着不同的电流等级和各种固定的电压版本。开关频率设定在52 kHz。对于16年前的目标市场来讲完全适合。随后该产品系列又经过进一步的开发,加入了宽输入电压的双极晶体管工艺,支持输入电压从4.5V升到40V,如果采用特殊的HV (高电压)器件,甚至可以达到60V。
不久以后开关频率就提高到了150 kHz,从而降低了给定电路中电感和电容的取值。这有利于用户缩小所占的PCB板空间,同时还降低了元件成本。该家族的第三波产品是一系列260kHz的开关调节器。同样也提供了很多不同的固定输出电压版本和电流选项。和第一批50kHz的开关相比,这些器件具备一些新的特性。如果用户需要软启动,他还可以获得软启动的选项。如果需要进行频率同步,用户还可以购买频率同步的选项。该系列器件就是LM267X SIMPLE SWITCHER家族。X是数字0到9的补位数字,代表不同的基本选项。这些器件是第一批采用MOS内部功率开关(而不是双极功率开关)的SIMPLE SWITCHER调节器。进行这些改动旨在提高效率,尤其在开关频率很高的情况下(与以前发布的产品相比效率得到了提高)。使用具有N-FET 传输晶体管的MOS工艺要求栅电压大于漏电压。既然对于典型的体调节器来说,电源开关的漏端连接到Vin,那么系统中就会有一定的电压空间来保证栅的开启。SIMPLE SWITCHER 利用Cboot电容进行启动时运用的就是上述原理。Cboot是连接开关节点和专用Cboot引脚的小电容。该电荷泵为驱动器提供了足够的电压,从而保证内部的N-FET能够完全开启。
架构上的这些改变引入了最小关闭时间,它指的是Cboot电容在每个周期以后重新充电所需的时间,这限制了Vin接近Vout的程度(在没有放松调节的情况下)。这些改动把调节器的效率提高到了96%。由于具有非常短的转换时间(仅为大约20ns),开关损耗大大降低。而稍微老一些器件的转换时间为70ns甚至更长。
目前,美国国家半导体推出了一个新系列的SIMPLE SWITCHER 调节器,它弥补了上一代产品的很多不足。同样这些器件也是采用高压工艺制作的,其中N-FET电源开关支持从6V到 75V的输入电压范围。现在此系列中每一个器件的开关频率都可以进行调整。还能够实现高达1MHz的开关频率。这将使设计过程更加灵活而且将使更小尺寸解决方案的出现成为可能。那些熟悉老SIMPLE SWITCHER家族成员的用户非常欣赏这些新器件中所添加的灵活性。尽管它们仍然易于使用,但是设计人员在优化板尺寸(高开关频率)或者效率(低开关频率)方面将具有更大的灵活性。
因为在过去的几年中封装技术已经取得了显著的进步,那些老的笨拙的TO-263将被一种低温度阻抗TSSOP Exposed Pad封装所代替。这种封装形式结合了相对较低的热阻和较多的引脚数(和老设计方案相比)。额外的引脚支持很多联立特性,而那些老SIMPLE SWITCHER由于旧封装的引脚限制无法提供这些特性。这里包括一个可调节的软启动、可进行外部调整的开关频率和一个同步引脚(从而使其中某个器件的开关频率能够和另一个器件同步),还具有一个关闭引脚。如果把这些灵活性考虑进来,我们可以把这些SIMPLE SWITCHER IC称作“高级SIMPLE SWITCHER”。
即使功能得到很大拓展,用户的设计过程还是一如既往的简单,如同操作那些老的SIMPLE SWITCHER器件一样。为了做到这一点,我们建立了相应的设计支持,可以利用WEBENCH进行免费在线仿真,WEBENCH软件是美国国家半导体的在线仿真工具,网址是。在线仿真不仅包括电气仿真,而且还可以进行热仿真。尤其对于那些高功率设计来讲,热仿真非常有帮助。应用指南里提供了按部就班的指导,帮助设计人员迅速决定应该选择哪些外部元件。
在这些新型SIMPLE SWITCHER调节器背后,我们实现了一个有趣的控制拓扑结构。目前,大多数SIMPLE SWITCHER器件都属于电压模式调节器。在这种控制架构里,误差放大器输出的误差电压与内部生成的锯齿波进行比较。面向升压回扫拓扑结构的SIMPLE SWITCHER调节器采用了电流模式控制。此时从误差放大器得到的误差电压和那些与实际电感电流成正比的信号进行比较。
在新型SIMPLE SWITCHER器件中采用了一个有趣的控制环路原理,称之为“模拟电流模式控制”。它的行为与传统的电流模式控制类似,但是弥补了常见电流模式调节的一些不足。
总之,与电压模式相比,峰值电流模式控制具有三个明显优势:
1、峰值电流模式控制具有输入电压自动前馈机制。换句话说,当Vin变化时,环路通过电感电流斜坡的变化直接检测出上述电压变化。不具有前馈功能的电压模式调节器需要等到输出电压升高(由输入电压升高引起),只有此时,调节器才能通过把占空比调整到新的输入电压来抵消上述电压变化。在电流模式控制里,输入电压变化所引起的输出电压偏差能够被最小化。
2、峰值电流模式调节器具有一个直接的逐周期电流限制。当峰值电感电流超过特定阈值时,开启时间马上结束。电压模式调节器需要单独的电流感应电路来限制峰值电流。
3、电流模式调节器的环路补偿要比电压模式控制的调节器简单。电压模式调节器是双极点系统,而电流模式调节器是单极点系统。
然而,传统的电流模式调节器也有不足之处,在开启时间启动之后无法立即对电流进行精确测量。需要首先处理一些开关噪声,然后才能进行精确的电流测量。中间的延迟时间称为间隔时间,它的最小取值需要在快速和精确的电流测量之间作出权衡(开启时间并没有过早结束)。较长的延迟时间恶化了输入对输出电压的可能比值。尤其对于高开关频率来讲,间隔时间限制了转换器Vin对Vout的比值。该间隔时间的典型取值在200ns左右。
模拟电流模式没有使用实际的电感电流斜坡,取而代之的是模拟控制斜坡,这样做降低了PWM电路对噪声的敏感度。这意味着能够降低每个周期的间隔时间,同时不需要担心电流感应电路会收集开关噪声,从而给设计人员带来了峰值电流模式控制的所有优点,并且大大缩短了间隔时间。对于采用模拟电流模式的新型LM5576来讲,典型情况下最小的开启时间长度是80ns。这就使在1MHz开关频率下从60V到5V的电压转换成为可能,而且消除了最小开启时间的问题。
现在进行详细阐述,实际电感电流的模拟通过一个采样保持电路实现,该电路在功率开关开启之前采样二极管电流。然后把测量到的电流作为斜坡(通过外部电容进行模拟)的起点,并且加入到斜坡中去。通过一个受电源输入和输出电压控制的电流源对外部电容进行充电,从而在没有对电感电流进行直接测量的情况下就模拟了“真实”的电感电流。
美国国家半导体SIMPLE SWITCHER家族的新成员有利于设计人员在较短的时间内建立起电源的设计方案。这些新器件中增加的灵活性,加上许多技术支持服务,将使设计工程师们轻松应对目前电源电路的设计挑战。
作为工作的一部分,我一直在为SIMPLE SWITCHER调节器系列提供技术支持。因为该产品的主旨就是方便开发工程师的使用(即使他们具有不同的背景),因此这些年来遇到了许多有趣的问题。下面给出它们中的一些例子。很多问题实际上都源自布局,因为优秀布局规划的重要性通常不被人们所理解。有时候,对于那些从前只使用线性调节器的设计人员来讲,当他们使用开关调节器时不知道应该注意哪些方面。我们开发了一个应用指南,里面给出了一些专门针对SIMPLE SWITCHER调节器布局方面的指导,该应用指南的编号是AN-1229。
一个与布局有关的经历常常发生在下述情况,即当用户从使用150 kHz开关频率的SIMPLE SWITCHER调节器(采用双极开关晶体管)过渡到使用260 kHz开关频率N-FET器件时,N-FET器件在效率上有很大提高,因此转换时间大大缩短,从而降低了开关损耗。老型号的SIMPLE SWITCHER产品(比如LM2595)的过渡时间大约为70ns。下一代产品例如LM2675的开关频率仅为20ns左右。即使在开关频率增加的情况下,开启时间和关闭时间的缩短也显著提高了效率。但是目前板上AC电流的变化速度提高了三倍,从而给边缘布局带来了麻烦。
“当在板的输出端测量输出电压时,将会看到较大的电压尖峰,其频率与开关频率一致。”通常,这些电压尖峰并不是真正的输出部分。它们只是从振荡器探针地线中采集到的噪声而已。为了获得干净的测量结果,使用示波器的探针时不能采用地线,取而代之的是从板上的地端到示波器地端很短的一个地连接,具体做法是在探针周围缠绕一条短线,然后把它连接到板上的地连接处,连接位置要靠近Vout的测量点。通常,最短的距离就是横跨在输出电容两端的测量值。
作者:Frederik Dostal
美国国家半导体 应用工程师
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