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带有次级LC滤波器的开关稳压器的电源解决方案

TIME:2019-09-22   click:

  的现代信号处理系统设计通常需要更低的功耗和更高的系统性能。为这些噪声敏感的设备选择合适的电源始终是系统设计人员的难点。这些设计总是需要在高效率和高性能之间做出取舍。

  传统上,LDO稳压器通常被用于为那些噪声敏感的设备供电。LDO稳压器能够抑制系统电源中经常出现的低频噪声,并且为ADC、PLL或提供干净的电源。但是LDO稳压器通常效率较低,尤其是在LDO稳压器必须将高于输出电压几伏的电源轨降压的那些系统中。在这种情况下,LDO稳压器通常可提供30%至50%的效率,而使用开关稳压器则可实现90%甚至更高的效率。

  开关稳压器虽然比LDO稳压器效率更高,但它们的噪声太大,无法在不显著降低ADC或者PLL的性能的同时,直接为它们供电。开关稳压器的噪声源之一是输出纹波,它可能在ADC的输出频谱中表现为明显的信号音或杂散。为避免降低信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR),最大程度地减少开关稳压器的输出纹波和输出噪声非常重要。

  为了同时保持高效率和高系统性能,通常需要在开关稳压器的输出端增加一个次级LC滤波器(L2和C2),以减少纹波和抑制噪声(如图1所示)。然而,二级LC输出滤波器也具有相应的缺点。理想情▲★-●况下,功率级传输函数的建模为四阶系统,很不稳定。如果再考虑电流环路1的采样数据效应,则完整的控制至输出的传递函数为五阶系统。另一种替代解决方案是检测初级LC滤波器(L1和C1)点的输出电压来稳定系统。然而,当负载电流很大时,由于次级LC滤波器上的压降★◇▽▼•很大,应用这种方法会导致输出电压调节性能较差,这在某些应用中令人无法接受。

  本文提出了一种新的混合反馈方法,能够在应用中采用带有次级LC滤波器的开关稳压器为ADC、PLL或RF收发器提供高效率、高性能的电源,同时在所有负载条件下提供足够的稳定性裕量并保持输出精度。

  有些已经发表的关于带有次级LC输出滤波器的DC-DC转换器的研究性文章2-5,具体而言,带有低电压/高电流输出的二级DC-DC转换器的控制环路设计 和 带有二级LC输出滤波器的高带宽交流电源的多环路控制方案的比较评估 这两篇文章讨论了二级电压模式转换器的建模和控制(该转换器不能直接应用于电流模式转换器)。文章用于电流模式控制转换器的次级LC滤波器分析和设计技术 和 用于多模块转换器系统的三环路控制讨论了带有次级LC滤波器的电流模式转换器的分析和建模。不过,这两篇文章都假设次级电感◆▼的电感值比初级电感小得多,这在实际应用中并不总是合适。

  分析了具有次级LC滤波器的降压转换器的小信号建模。提出了一个新的五阶控制至输出的传递函数,无论外围电感和电容参数如何,都非常精确。

  提出了一种新的混合反馈方法,可在提供足够的稳定性裕量的同时保持输出电压良好的直流精度。首次分析了反馈参数的限值,为实际设计提供了基本依据。

  基于功率级小信号模型和新的混合反馈方法,设计了补偿网络。利用奈奎斯特图评估了闭环传递函数的稳定性。

  提供了一个基于电源管理产品 ADP5014的简单设计实例。借助次级LC滤波器,ADP5014在高频范围内的输出噪声性能甚至优于LDO稳压器。

  图2显示了对应于图1的小信号框图。控制环路由内部电流环路和外部电压环路组成。电流环路中的采样数据系数He(s)是指RaymondB. Ridley在用于电流模式控制的新型连续时间模型中提出的模型。请注意,在图2所示的简化小信号框图中,假设输入电压干扰和负载电流干扰为零,因为本文不讨论与输入电压和负载电流相关的传递函数。

  我们关心的第一个传递函数是在占空比调制器的输出点测得的电流环路增益。由此产生的电流环路传递函数(见附录I中的公式16)表现为具有两对复数共轭极点的四阶系统,该系统产生两个系统谐振频率(ω1和ω2)。这两个谐振频率均由L1、L2、C1和C2决定。负载电阻RL以及C1和C2产生主零点。一对复数共轭零点(▪▲□◁ω3)由L2、C1和C2决定。此外,电流环路中的采样数据系数He(s)将在开关频率的1/2处引入一对复数的右半平面(RHP)零点。

  与不带次级LC滤波器的传统电流模式降压转换器相比,新的电流环路增益增加了一对复数共轭极点和一对复数共轭零点,并且它们彼此的位置非常接近。

  图3显示了具有不同外部斜坡值的电流环路增益图。对于没有外部斜率补偿(Mc = 1)的情况,可以看出电流环路中的相位裕量非常小,这可能导致次谐波振荡。通过增加外部斜率补偿,增益和相位曲线的形状不会改变,但增益的幅度将减小,相位裕量将增加。

  当电流环路闭合时,会产生一个新的控制至输出的传递函数。由此产生的控制至输出的传递函数(见附录I中的公式19)表现为具有一个主极点(ωp)和两对复数共轭极点(ωl和ωh)的五阶系统。主极点主要取决于负载电阻RL、C1,和C2。频率较低的一对共轭极点由L2、C1和C2确定,而频率较高的一对共轭极点位于开关频率的1/2处。此外,C1的ESR和C2的ESR分别影响两个零点。

  图4显示了具有不同外部斜坡值的控制至输出的环路增益图。与传统的电流模式降压转换器相比,在带有次级LC滤波器的电流模式降压转换器的控制至输出的增益中增加了一对复数共轭极点(ωl)。额外的谐振极点可以提供最大可达180°的额外的相位延迟。相位裕量将急剧下降,即便使用III型补偿系统也会很不稳定。此外,图4清楚地显示了随着斜率补偿的增加,从电流模式控制到电压模式控制的转换。

  本文将介绍一种新的混合反馈结构,如图5(a)所示。混合反馈的构思是通过利用来自初级LC滤波器的附加电容反馈来稳定控制环路。从输出端经过电阻分压器的外部电压反馈定义为远程电压反馈,而经过电容器CF的内部电压反馈将在下文中定义为本地电压反馈。远程反馈和本地反馈在频域上承载不同的信息。具体而言,远程反馈检测低频信号以便提供良好的直流输出调节,而本地反馈检测高频信号以便为系统提供良好的交流稳定性。图5(b)显示了对应于图5(a)的简化小信号框图。

  由此产生的混合反馈结构的等效传递函数(见附录II中的公式31和公式32)与传统电阻分压器反馈的传递函数明显不同。新的混合反馈的传递函数零点比极点更多,并且额外的零点将在由L2和C2确定的谐振频率处产生180°的相位提前。因此,利用混合反馈方法,控制至输出的传递函数中的附加相位延迟将通过反馈传递函数中的附加零点进行补偿,这可以实现基于整个控制至反馈的传递函数的补偿设计。

  除了功率级中的那些参数之外,反馈传递函数中还包含两个参数。众所周知,参数β(见附录II中的公式30)是输出电压放大率。而参数α则是一个全新的概念。

  可以调整反馈参数α(参见附录II中的公式29)来理解反馈传递函数的行为。图6显示了当α减小时反馈传递中零点的变化趋势。该图清楚地表明,随着α逐渐减小,一对共轭零点将从左半平面(LHP)向RHP推进。

  图7是具有不同α值的反馈传递函数的曲线 nF),反馈网络的传递函数将表现为180°的相位延迟,这意味着复数零点已成为RHP零点。反馈传递函数已简化为新形式(参见附录II中的公式33)。要将零点保持在LHP中,参数α应始终满足以下条件:

  公式1给出了反馈参数α的最小限值基准。只要满足这一条件,控制系统就很容易保持稳定。但是,由于RA和CF在负载瞬态跳变期间将作为输出电压变化的RC滤波器工作,因此负载瞬态性能将因很大的α值而降低。所以α值不应该太大。在实际设计中,建议参数α比最小限值大20%到30%左右。

  控制至反馈的传递函数GP(s)可以通过控制至输出的传递函数Gvc(s)和反馈传递函数GFB(s)的乘积导出。补偿传递函数GC(s)设计为具有一个零点和一个极点。控制至反馈的传递函数和补偿传递函数以及闭环传递函数TV(s)的渐近波特图如图8所示。以下步骤说明了如何设计补偿传递函数。

  在fc处计算GP(s)的增益,而GC(s)的中频带增益应为GP(s)的相反数

  根据图8,闭环传递函数TV(s)已经三次经过0dB点。奈奎斯特图用于分析闭环传递函数的稳定性,如图9所示。由于曲线),闭环稳定并具有足够的相位裕量。请注意,奈奎斯特图中的点A、B和C对应于波特图中的点A、B和C。

  AD□◁P5014对许多模拟模块进行了优化,可在低频范围内实现更低的输出噪声。当VOUT设置为小于VREF电压时,单位增益电压基准结构也可使输出噪声与输出电压设置无关。设计中又增加了一个次级LC滤波器,从而可以衰减高频范围的输出噪声,特别是对于基波下的开关纹波及其谐波。图10显示了设计详情。

  图11显示了ADP5014在10 Hz至10 MHz频率范围内的噪声谱密度测量结果,以及10 Hz至1 MHz频率范围内的积分有效值噪声,与之作比较的 ADP1740则是另一款传统的2A低噪声LDO稳压器。ADP5014在高频范围内的输出噪声性能甚至优于ADP1740。

  本文介绍了用于建模和控制带有次级LC输出滤波器的电流模式降压转换器的通用分析框架,讨论了精确的控制到输出的传递函数,提出了一种新的混合反馈结构,并对反馈参数限值进行了推导。

  设计示例表明,带有次级LC滤波器和混合反馈方法的开关稳压器可以提供干净、稳定的电源,性能堪比LDO稳压器,甚至更好。

  本文中的建模和控制主要关注电流模式降压转换器,但此处描述的方法也适用于电压模式降压转换器。

  在典型的低噪声应用中,通常应用单位增益电压参考结构,因此参数β将等于1。那么,反馈传递函数为

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  XC是一款适用于各种电子设备的低压差稳压器。它提供带有TO-220-4引线全模封装的恒压电源。在满额定电流(1A)下,KA78RXXC的压差低于0.5V。该稳压器具有各种功能,如峰值电流保护,热关断,过压保护和输出禁用功能。 特性 1A / 3.3V,5V,8V,9V ,12V,15V输出低压差稳压器 TO-220全模封装(4pin) 过流保护,热关机 过压保护,短路保护 带输出禁用功能 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...

  NCV8720 LDO稳压器 350 mA 超低压降 高PSRR 带偏置轨

  0是一款350 mA LDO,配有NMOS passtr◇…=▲ansistor和独立的偏置电源电压(VBIAS)。该器件提供非常稳定,精确的输出电压和低噪声,适用于空间受限,噪声敏感的应用。为了优化电池供电的便携式应用的性能,NCV8720具有低IQ消耗。 NCV8720采用WDFN6 2 mm x 2 mm封装,可润湿侧面选项可用于增强光学检测。 类似产品: NCV8130 NCV8133 NCV8135 NCV8720 输出电流(A) 0.30 0.50 0.50 0.35 PSRR f = 1 kHz(dB) 65 70 73 65 压差电压(V) 0.075 0.140 0.053 0.110 Wettable Flank 否 否 是 是 特性 优势 Typ的超低压降。 110 mV 允许节省功耗,并以非常低的Vin-Vout电压工作。 固定输出电压选项从0.8 V到2.1 V 低压Vcore应用的最佳选择 典型的110 mV压降完整的350 mA负载。 最大限度地减少调节器的功率损耗 保证输出电流从0 mA到350 mA 高电流应用的最佳选择 0.5%典型输出电压精度 非常适合POL应用程序 输出电流超过350 mA 应用 终端产品 Automot ive 电池供电...

  7是一款1.2 A LDO稳压器,具有低静态电流消耗(在整个温度范围内典型值为30μA),低压差,低输出噪声和非常好的PSRR。该稳压器集成了多种保护功能,如热关断,软启动,限流以及电源良好输出信号,便于MCU接口。 特性 优势 Low Vin 1.5 V 适用于DCDC的1.8V电压轨 超低噪声15μV rms 非常适合噪声敏感应用 1 kHz时PSRR高达75 dB 高功率输入纹波抑制,非常适合功耗敏感器件 低V out 从0.8 V 适用于低压申请 电力良好信号 Perfe ct用于铁路监测和/或排序 提供DFN6 2x2 mm和DFN8 3x3mm封装 可润湿侧面(针边电镀)改善热阻 150C工作结温 通过扩展实现更高的功率温度 应用 终端产品 RF,PLL,VCO和时钟电源 图像传感器电源 负载点 通信系统和信息娱乐 RF收发器 摄像头模块 Internet连接共享(ICS)网关服务器应用程序 MQB模块化架构 电路图、引脚图和封装图...

  5低静态电流低压降(LDO)线性稳压器是一款高性能LDO稳压器。它具有+/- 0.9%的线路和负载精度以及超低静态电流和噪声,涵盖了当今消费类电子产品所需的所有必要功能。这种独特的器件保证在没有最小负载电流要求的情况下保持稳定,并且对于任何类型的小至1.0 uF的电容器都是稳定的。 NCV8535还配备了感应和降噪引脚,以提高设备的整体实用性。 NCV8535提供反向偏压保护。 特性 线%) 满载时的超低压降(典型值260 mV) 稳定性无最小输出电流 低噪声(31 uVrms) w / 10 nF Cnr和51 uVrms w / out Cnr) 低关断电流(0.07 uA) 反向偏向保护 2.6 V至12 V电源范围 热关断保护 目前的限制 仅需1.0 uF输出电容以确保稳定性 使用任何类型的电容器(包括MLCC)均可稳定 提供1.5 V,1.8 V,1.9V,2.5 V,2.8 V,2.85 V,3.0 V,3.3 V,3.5V,5.0 V和可调输出电压 应用 终端产品 汽车音响和信息娱乐 汽车配件 汽车仪表盘 汽车相机显示器 汽车仪表板电子产品 汽车 工业 电路图、引脚图和封装图...

  NCV8165 LDO稳压器 500 mA 低压差 超低Iq 超高PSRR 超低噪声

  5是一款LDO(低压降稳压器),能够提供500 mA输出电流。 NCV8165器件旨在满足RF和模拟电路的要求,具有低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/•☆■▲线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。提供DFNW8 0.65P,3 mm x 3 mm x 0.9 mm封装。 类似产品: NCV8160 NCV8161 NCV8163 NCV8165 输出电流(A) 0.25 0.45 0.25 0.50 PSRR f = 1 kHz(dB) 98 98 92 85 噪音(μV RMS ) 10 10 6.5 8.5 特性 优势 超高PSRR在1 kHz时为85dB,在100 kHz时为63dB 非常适用于Wi-Fi模块等功耗敏感设备 超低输出噪声8.5μV RMS 非常好适用于噪声敏感应用 超低静态电流12μA 在轻载条件下提高效率 工作输入电压范围1.9V至5.5V 适用于电池供电设备 极低压差200mV,500mA 满载时的低功耗 应用 终端产品 A / D和D / A转换器电源 音频编解码器 电池供电设备 相机模块 RF模块 WiGig电源 LP5907或LP5912升级 汽车设备点负载调节 信息娱乐,车身控制和导航 远...

  是1 A LDO,配有NMOS passtransistor和独立的偏置电源电压(VBIAS)。该器件提供非常稳定,精确的输出电压和低噪声,适用于空间受限,噪声敏感的应用。为了优化电池供▲=○▼电的便携式应用的性能,NCP139具有低IQ消耗。 WLCS◆●△▼●P6 1.2 mm x 0.8 mmpackage经过优化,适用于空间受限的应用。 类似产品: NCP13x系列 NCP130 NCP133 NCP134 NCP135 NCP137 NCP139 输出电流(A) 0.3 0.5 0.5 0.5 0.7 PSRR f = 1kHz(dB) 70 70 td

  60 压差电压(V) 0.060 0.090 0.090 0.053 0.060 0.060 特性 优势 超低压降典型的。 40mV 允许节省功率并以非常低的Vin-Vout电压工作。 可调电压版本 低压Vcore应用的最佳选择 在1 A负载下典型的50 mV压降。 最大限度地减少调节器的功率损失 保证输出电流从0到1 非常好的选择用于高电流应用 0.5%典型输出电压精度 非常适合POL应用 输出超过1 A的电流 输出有效可用的放电选项 应用 终端产品 电池供电和便携式设备 智能手机,...

  是一款线 mA输出电流。 NCP161器件旨在满足RF和模拟电路的要求,可提供低噪声,高PSR◇•■★▼R,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。它有两种厚度的超小0.35P,0.65 mm x 0.65 mm芯片级封装(CSP),XDFN-4 0.65P,1 mm x 1 mm和TSOP5封装。 类似产品:

  V-A是一个◇=△▲1通道降压型开关稳压器。 特性 优势 不受负载影响的软启动电路。 电源电路稳定运行。 频率FOLD BACK为负时下垂。 过流保护 内置逐脉冲OCP电路。通过使用外部MOS的导通电阻来检测。 过流保护 开启/关闭功能(启用控制) 可在外部启用控制 同步整流的1通道降压型开关稳压控制器方法 电路图、引脚图和封装图

  NCP81274 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

  74是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达8个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位接通,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构可确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡的电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...

  NCP81276 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

  76是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达4个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位开启,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边☆△◆▲■沿PWM多相架构可确保快速瞬▽•●◆态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...

  930是一款2 MHz固定频率低静态电流降压控制器,具有扩频,工作电压高达38 V(典型值)。它可以与时钟同步或分离NCV891930。峰值电流模式控制用于快速瞬态响应和宽输入电压和输出负载范围的严格调节。反馈补偿是设备内部的,允许设计简化。 NCV891930能够在高于敏感AM频段的恒定基极开•□▼◁▼关频率下,从3.5 V(启动期间为4.5 V)的汽车输入电压范围转换为18 V,无需昂贵的滤波器和EMI对策。对于20 V至38 V(典型值)的输入电压,开关频率可折叠回1 MHz。在高达45 V的负载突降条件下,调节器关闭。高压偏置调节器可自动切换到外部5 V偏置电源,以提高效率。提供多种保护功能,如UVLO,电流限制,短路保护和热关断。即使使用小电感值和全陶瓷输出滤波电容,高开关频率也会产生低输出电压纹波,从而形成节省空间的开关解决方案。(NCV881930提供410 kHz版本) 特性 空载时30μA工作电流 75 mV电流限制感应 能够进行45 V负载转储 具有锁定的板可选固定输出电压 2 MHz工作频率同步能力 自适应非重叠电路 集成扩频 逻辑电平启用输入可以绑定直接电池 短路保护脉冲跳过 UV...

  JA是一个降压电压开关稳压器。 特性 优势 宽输入动态范围:4.5V至50V 可在任何地方使用 内置过流逐脉冲保护电路,通过外部MOSFET的导通电阻检测,以及HICCUP方法的过流保护 烧伤保护 热关闭 热保护 负载独立软启动电路 控制冲击电流 外部信号的同步操作 它可以改善发生两个稳压器IC之间的振荡器时钟节拍 电源正常功能 稳定性操作 外部电压为输出电压高时可用 应用 降压方式开关稳压器 电路图、引脚图和封装图...

  49是一款单相同步降压稳压器,集成了功率MOSFET,可为新一代计算CPU提供高效,紧凑的电源管理解决方案。该器件能够在带SVID接口的可调输出上提供高达14A TDC的输出电流。在高达1.2MHz的高开关频率下工作,允许采用小尺寸电感器和电容器,同时由于采用高性能功率MOSFET的集成解决方案而保持高效率。具有来自输入电源和输出电压的前馈的电流模式RPM控制确保在宽操作条件下的稳定操作。 NCP81149采用QFN48 6x6mm封装。 特性 优势 4.5V至25V输入电压范围 针对超极本和笔记本应用进行了优化 支持11.5W和15W ULT平台 符合英特尔VR12.6和VR12.6 +规格 使用SVID接口调节输出电压 可编程DVID Feed - 支持快速DVID的前进 集成栅极驱动器和功率MOSFET 小外形设计 500kHz~1.2MHz开关频率 降低输出滤波器尺寸和成本 Feedforward Ope输入电源电压和输出电压的比例 快线瞬态响应和DVID转换 过流,过压/欠压和热保护 防止故障 应用 终端产品 工业应用 超极本应用程序 笔记本应用程序 集成POL U...

  38是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81038包括两个降压开关控制器,通道2上固定5.0 V输出,通道1上3.3 V,两个板载LDO,三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81038支持高效率,快速瞬态响应并提供电力信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V 电路图、引脚图和封装图...

  48是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81148由两个降压开▷•●关控制器组成,通道2上固定5.0 V输出,通道1上为3.3 V,两个板载LDO具有三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81148支持高效率,快速瞬态响应并提供电力商品信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V. 电路图、引脚图和封装图...

  0是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。它结合了高效,多相,同步降压开关稳压控制器和I 2 C接口,可实现关键系统参数的数字编程。 特性 优势 I 2 C 启用关键系统参数的数字化编程 快速增强型PWM弹性模式架构 出色的负载瞬态性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 游戏,桌面,服务器 电路图、引脚图和封装图

  NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

  8是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。 NCP4208是一款高效,多相,同步降压开关稳压控制器,可帮助设计高效率和高密度解决方案。 NCP4208可编程为1,2,3,4,5,6,7或8相操作,允许构建多达8个互补降压开关级。 特性 优势 快速增强PWM 出色的负载转换性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 台式电脑,服务器 电路图、引脚图和封装图

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