改进的电压模式PWM控制方案的性能介绍

通常情况下，部署在当今嵌入式电信，服务器和存储应用中的主板包含十几种不同的负载点（POL）稳压器，可提供低于1 A至约30 A的输出电流。这些降压型同步POL稳压器通常将中间总线电压降低到负载IC所需的电源电压。

由于市场对小尺寸，低成本，快速瞬态性能和电源排序的要求，这些降压型POL稳压器采用同步整流和电压模式控制技术在高频下工作。虽然这种方案具有高效率和高功率密度，但它们也会导致高抖动和噪声，这在竞争激烈的新一代系统中是不可接受的。

对于设计人员来说，好消息是像国际整流器公司这样的功率半导体供应商已经通过开发新的脉冲宽度调制器（PWM）方案解决了这些问题，该方案使用新颖的电压在高频率和窄占空比下实现无抖动操作 - 模式控制器。它已在制造商的同步降压稳压器IR3899中实现，该稳压器还包含内置功能，可在实现POL设计时提供更高的灵活性。

电压模式控制器

用于同步降压稳压器的典型电压模式控制方案如图1所示。如图所示，该方案中的误差放大器通常接收输出电压的样本并将其与精确的参考电压，在误差放大器的输出端产生误差电压（VERROR）。然后将该输出馈送到高速PWM比较器，该比较器还接收斜坡信号（VRAMP）。接下来，PWM比较器的输出被馈送到锁存器的复位输入，类似于S-R触发器，其另一输入组由内部产生的周期时钟信号驱动。该周期时钟以固定频率产生，通常可通过外部电阻或电容用户编程。

图1：传统的电压模式脉冲宽度调制（PWM）控制器。因此，当输出电压由于输入电压，负载，温度或任何其他此类变量的变化而改变时，VERROR信号的幅度改变。结果，它改变了PWM比较器阈值和PWM比较器输出的脉冲宽度。通过调整脉冲宽度（占空比），输出电压可以保持恒定，以适应输入电压，温度，负载等的任何变化。控制FET和同步FET（Sync.Fet）由来自其驱动器部分的HDrv和LDrv脉冲驱动。

正如国际整流器公司的Suresh Kariyadan和Parviz Parto所标题为“电压模式控制方案在高频下提高降压转换器性能”的设计特性所述，¹在传统电压的PWM信号上升沿开始斜坡 - 模式控制器，并将VERROR信号与低电压电平相交，低电压电平通常是斜坡的非线性区域，用于窄占空比操作。 Kariyadan和Parto解释说这个非线性区域会产生更多的抖动。然后，作者将传统的电压控制与IR工程师开发的新控制方案进行了比较。如图2所示，斜坡比设定信号的下降沿更早开始，从而在更线性的区域中与VERROR信号相交。通过这种方式，它产生最小量的抖动。根据IR，如果复位信号在设定信号下降之前上升，新的电压模式方案甚至可以产生零占空比。

图2：比较所提出的电压模式控制方案与传统电压模式控制器的理论波形。

如前所述，专利新方案已在制造商的电压模式稳压器IC IR3899中实施。为了将传统电压模式控制的抖动性能与新方法进行比较，IR工程师为两种方案生成了实验开关节点波形，开关频率为600 kHz，脉冲宽度较窄。测得的开关波形表明，对于12 V输入DC/DC转换器，在9 A负载下使用传统的电压模式控制，在600 kHz开关频率下输出1.0 V，抖动性能为17.6 ns（图3）。使用类似的输入输出比和600 kHz频率的负载，新方案的抖动性能提高到3.3 ns，如图4所示。

图3：测量开关波形，对于12 V输入DC/DC转换器，在9 A负载下使用传统电压模式控制，在600 A开关频率下具有1.0 V输出，表明抖动为17.6 ns。

图4：对于12 V输入DC/DC转换器采用新的电压模式控制方案，在9 A负载和600 kHz开关频率下具有1.0 V输出，抖动减少了3.3 ns。

工程师观察到，采用高降压比和更高的开关频率，新方案的抖动性能会更好，而传统方法则会恶化。例如，IR工程师为具有16 V输入和1.0 V输出的DC/DC转换器生成类似的开关节点波形，用于600 A开关频率的9 A负载。据观察，传统方法的抖动性能恶化到32 ns，而采用新方案时，抖动性能提高到1.3 ns。

更多功能

新的电压模式PWM控制方案提供了更多功能，而不仅仅是提高抖动性能。根据IR技术文章，¹新的调制器方案保证了输出电压的单调启动，并改善了瞬态响应。此外，由于新方案能够产生接近零的非常窄的脉冲宽度，因此确保了干净的启动。由于复位信号可以在设置信号下降之前上升，因此可以在斜坡信号中没有任何DC偏移的情况下产生零占空比。实际上，在新方案中测量的DC偏移仅为150 mV，并且可以在更高的闭环带宽下运行。因此，在启动期间，根据IR的设计特性，VERROR信号可以更早地接管占空比控制。

关于改进的瞬态响应，IR工程师指出，通过在更高的开关频率和更高的闭环带宽下工作，可以实现瞬态响应的改善。本文讨论了开关频率和带宽对瞬态性能和电容器要求的影响，基于对原型降压转换器的测量，该转换器在1 MHz开关频率下工作在VIN = 12 V和VOUT = 1 V时。使用的电感是0.33μH表面贴装器件（Vishay IHLP2525CZER），使用的输出电容是TDK22μF，X5R，6.3 V，0805陶瓷型（C2012X5R0J226M）。

新型电压模式控制方法提供的另一个特性是前馈功能，可确保稳定工作，同时在较大的输入电压变化范围内保持负载瞬态性能。图5显示PWM斜坡幅度信号（VRAMP）相对于输入电压成比例变化，以保持VIN/VRAMP的恒定比率。它使调制器增益保持恒定，以保持输入电压变化，并保持控制环路带宽和相位裕度恒定。此外，IR设计人员还表明，前馈功能还可以最大限度地降低输出电压偏差，从而实现快速的输入电压变化。

图5：前馈功能可确保PWM斜坡幅度信号（VRAMP）相对于输入电压成比例变化，以保持VIN的恒定比率/VRAMP。

总之，采用新颖的电压模式PWM控制方案，同步降压稳压器IR3899可显着提高高频时的抖动性能。此外，它还保证了输出电压的单调启动，并改善了瞬态响应。同时，前馈功能可确保稳定运行，同时在较大的输入电压变化范围内保持负载瞬态性能。