电源树中BUCK电源采用哪种方式可以减少开关噪声并实现更高的效率

在汽车应用中，如果说宽输入降压电源对应的是12V/24V转5V(3.8V…)的一级电源（主电源）；那窄输入降压电源对应的则是5V(3.8V…)转3.3V(1.8V…)的二级电源。

本节内容，我将会探讨在电源树中使用两个BUCK作为二级电源时，采用哪种方式可以减少开关噪声并实现更高的效率，此外还将介绍TI在二级电源应用中的明星产品---高性能的TPS6281x-Q1以及高性价比的其他产品。

电源树中BUCK的同步方式

在汽车应用中可能会用到不同的电源电压为不同功能模块供电。例如，有些MCU至少有两个电源轨，分别为I / O口以及内核供电。这些电压通常由LDO或BUCK产生。如果用多个BUCK产生不同的电源轨，需要考虑如何最大程度地降低系统网络中的开关噪声。通常可以在BUCK的输入端加入合适的去耦电容以降低噪声。然而不同BUCK有不同开关频率，这给系统设计带来挑战。这里列举了两个BUCK产生两种输出电压的电源树的五种不同配置方法。在这五种配置中，所使用的电感、输入输出电容、RCF以及工作频率(2.25MHz)基本一致，在控制变量的情况下讨论了电流和电压的测量数据。后面阐述到的例子均是使用了两颗TPS62810。其输入电压为5V，输出电压分别为3.3V和1.8V，输出负载均为2A。TPS62810支持多种方式配置开关频率，如通过设置COMP / FSET引脚和GND之间的阻值，或者通过改变MODE / SYNC引脚的输入信号。

方式一：非同步

第一种配置方法是BUCK最常用的方法。将 MODE / SYNC引脚连接到GND，这是TPS62810最灵活的操作模式。在重载下，BUCK以连接到COMP / FSET引脚的电阻决定的开关频率工作。 在这个例子中RCF1和RCF2具有相同的值，因而两个BUCK被设置为相同的开关频率。 在轻载下，可以通过设置MODE / SYNC引脚以降低开关频率，从而提高效率。 图1为该配置的简化示意图。

图2显示了该配置下测得的开关节点电压。该 测量是在有限的带宽下进行的，所以开关边沿比实际情况看起来要慢，这样可以更好地显示不同BUCK的工作频率之间的关系。 由于触发设置为BUCK 1的开关节点电压，因此该开关节点电压的波形清晰可见，而开关节点2的波形较为模糊，但可以明显看出BUCK 1和BUCK2的开关频率不同。由于输出电压设置不同，高边开关的导通时间也不同。

图3显示的是输入电流波形。 L1和L2的电流波形显示的开关频率相近。 由于输出电压不同，电感电流纹波也不同。 在输入电流波形，两个BUCK的工作频率中叠加了一个低频信号---BUCK1和BUCK2的差频信号，范围为40kHz。

在图4所示的输入电压频谱图中，开关频率占主导(2.25MHz)。 由于两个BUCK的开关频率仅差40 kHz，明显小于50 kHz的分辨率带宽，因此无法在此图中分辨两个BUCK的开关频率。而不同BUCK的开关频率的谐波频率差高于分辨率带宽，所以在此测量中清晰可见。 与较窄分辨率带宽(RBW 50kHz)的测量相比，较宽分辨率带宽(500kHz)的测量显示较高的峰值。 这表明电压纹波有变化，这在窄分辨率带宽测量中无法捕获。

 

图- 1简化示意图---非同步	图- 4 输入电压频谱---非同步
图- 2 开关节点电压---非同步	图- 3电流波形---非同步

 

方式二：使用外部时钟进行同步

第二种配置展示了使用外部时钟同步BUCK的方法。时钟信号直接连接到MODE / SYNC引脚。 在这种配置中，如果时钟信号在允许范围内，则BUCK的开关频率始终与外部时钟同步，在轻载下也不会改变。这意味着轻载工作时的效率比没有同步时更低。图5显示了此配置的简化示意图。

图6显示了该配置下测得的开关节点电压。该测量是在有限的带宽下进行的，所以开关边沿比实际情况看起来要慢，这样可以更好地显示不同BUCK的工作频率之间的关系。由于将触发设置为BUCK1的开关节点电压，因此该开关节点电压的波形清晰可见。由于同步，BUCK2的开关节点电压也清晰可见。两个BUCK以相同的频率工作，并同时打开其高边开关。 由于输出电压不同，高边开关的导通的时间也不同。

图7显示了在这种配置下测得的电流波形。与前面的例子相比，两个BUCK的电感电流波形基本一致。频率被强制设为相同，这在输入电流波形上也清晰可见。开关频率占主导。这种设置方法可能会使强制使得两个BUCK高边开关同时导通，因此两个BUCK会同时从输入端汲取电流，这会导致输入电流和输入电压的纹波变大。

在图8所示的同步的输入电压频谱中， 在基频和谐波中没有可见的不同频率。宽分辨率带宽测试和窄分辨率带宽测试测得的峰值非常相似，因此使用这两种测试可以正确捕获纹波。

 

图- 5简化示意图---使用外部时钟同步	图- 8输入电压频谱---使用外部时钟同步
图- 6 开关节点电压---使用外部时钟同步	图- 7电流波形---使用外部时钟同步

 

 方式三：相移同步

第三种设置显示了将BUCK与外部时钟同步的更复杂的方法。 两个BUCK都分别带有相同频率的时钟信号。 这两个分开的时钟信号相差180°或者反相。 时钟信号直接连到各自的MODE / SYNC引脚。 在这种配置下，BUCK始终以外部时钟频率决定的开关频率工作，因此在轻载下没有变化，这意味着轻载运行时的效率比没有同步时更低。 图9为该配置的简化示意图。

图10显示了该配置下测得的开关节点电压。该测量是在有限的带宽下进行的，所以开关边沿比实际情况看起来要慢，这样可以更好地显示不同BUCK的工作频率之间的关系。由于将触发设置为BUCK1的开关节点电压，因此该开关节点电压的波形清晰可见。由于同步，BUCK2的开关节点电压也清晰可见。两个BUCK以相同的频率工作， 由于BUCK2的时钟信号发生180°相移，使得BUCK2与BUCK1相比，大概会延迟200 ns打开高边开关。由于输出电压不同，高边开关的导通的时间也不同。

图11显示了该配置下测得的电流波形。 电感电流纹波基本与前面例子一致。 由于同步，开关频率相同。 与前面的例子相比，电感电流波形相移了180°，这使得输入电流纹波变小。 由于BUCK1的高占空比和BUCK2的低占空比，开关频率在输入电流波形上仍然占主导地位。

在图12所示的同步的输入电压频谱中， 在基频和谐波中没有可见的不同频率。 宽分辨率带宽测试和窄分辨率带宽测试测得的峰值非常相似，因此使用这两种测试可以正确捕获纹波。由于输入电流纹波较低，因此输入电压纹波也较低。

 

图- 9简化示意图---相移同步	图- 12输入电压频谱---相移同步
图- 10开关节点电压---相移同步	图- 11电流波形---相移同步

 

方式四：使用另一个BUCK同步

第四种设置显示了在不使用外部时钟的情况下同步电源树中BUCK的方法。 BUCK2直接从BUCK1获得同步时钟信号。开关节点电压是方波，可以用作时钟信号。 TPS62810的同步以开关相位错开的方式设计。这意味着当BUCK1的高边开关（提供时钟信号）关闭时，BUCK2的高边开关导通。 BUCK1的开关节点电压经过简单的RC滤波后直接连接到BUCK2的MODE / SYNC引脚。如果BUCK1在轻载下运行，它将降低开关频率。 为避免这种情况，BUCK2的参考时钟限定在指定的同步范围之内。 BUCK1必须始终保持足够的负载电流，或者必须将MODE1连接至VIN1以强制PWM模式工作。 图13显示了此配置的简化示意图。

图14显示了该配置下测得的开关节点电压。该测量是在有限的带宽下进行的，所以开关边沿比实际情况看起来要慢，这样可以更好地显示不同BUCK的工作频率之间的关系。由于将触发设置为BUCK1的开关节点电压，因此该开关节点电压的波形清晰可见。由于同步，BUCK2的开关节点电压也清晰可见。两个BUCK以相同的频率工作，BUCK2与BUCK1的同步使得BUCK2在BUCK1断开高边开关时接通高边开关。由于输出电压不同，高边开关的导通的时间也不同。

图15显示了电流波形。 电感电流波形显示同步。由于BUCK2的高边开关的接通与BUCK1的高边开关的关断同步，因此从输入端汲取的峰值电流被最小化，从而使得输入电流纹波最低。

在图16所示的同步的输入电压频谱中， 在基频和谐波中没有可见的不同频率。宽分辨率带宽测试和窄分辨率带宽测试测得的峰值非常相似，因此使用这两种测试可以正确捕获纹波。在这种配置下，输入电流纹波最低，因此开关频率下的峰值也最低。使用另一个BUCK同步的配置会在开关频率的两倍处产生稍高的电流纹波，因此二次谐波的峰值有所增加。

 

图- 13简化示意图---使用另一个BUCK同步	图- 16输入电压频谱---使用另一个BUCK同步
图- 14开关节点电压---使用另一个BUCK同步	图- 15电流波形---使用另一个BUCK同步

 

方式五：在展频模式下工作

第五种配置跟第一种类似。 它仅使用带有展频功能的TPS62810版本。这意味着两个BUCK的开关频率都有很大的变化，并且频率的差异也会变化。 两个BUCK都像第一种配置中那样自由运行。 在轻载下，MODE / SYNC设置允许BUCK降低开关频率，以维持高效率。 图17显示了该配置的简化示意图。

图18显示了该配置下测得的开关节点电压。该测量是在有限的带宽下进行的，所以开关边沿比实际情况看起来要慢，这样可以更好地显示不同BUCK的工作频率之间的关系。由于将触发设置为BUCK1的开关节点电压，与第一种配置相比，由于开启了展频模式，该开关节点电压的波形变得模糊，开关节点2的波形也变得模糊。 它的频率与BUCK1的开关节点电压的频率不同，并且由于展频也在变化。由于输出电压不同，高边开关的导通的时间也不同。

图19中显示的电流波形与前面的没有同步配置的相似。主要差别在于输入电流波形，没有差频信号，但峰值电流的大小相似。

尽管两个BUCK都在图20所示的输入电压频谱中以展频模式工作，但开关频率仍然占主导地位，开关频率的差异无法区分。 与窄分辨率带宽测量相比，宽分辨率带宽测量显示出较高的峰值。 这表明在窄带宽测量中无法正确捕获输入电压中变化的纹波。

 

图- 17 简化示意图---在展频模式下工作	图-20输入电压频谱---在展频模式下工作
图- 18电流波形---在展频模式下工作	图- 19 电流波形---在展频模式下工作

 

非同步、使用恒定频率或展频模式的配置明显是实现两个BUCK在同一电源树种工作的最简单方式，而且由于在省电模式下可以使能自动转换，因而在轻载情况下可以达到更高的效率。当使用恒定频率配置时，要避免产生在可听范围内的差频信号，标称频率可以设置得更宽，以确保差频始终高于可听范围。任何方式下的同步都可以降低输入电流和电压纹波，或者至少将其控制在定义的频率内。这可以减少过滤噪声的工作量，这甚至可以减小BUCK输入电容。较为简单的方法是使用一个BUCK作为参考时钟。根据输入和输出电压比，开关波形可以直接用作另一个BUCK的参考时钟。为保证稳定性，提供时钟信号的BUCK应在强制PWM下工作，避免在省电模式下由低频操作引发中断。

助力于T-BOX的TPS6281x-Q1

前面阐述了TPS6281x可以通过多种方式减少开关噪声提高效率，TPS6281x-Q1 也一样，并且它符合汽车应用的AEC-Q100标准，简单易用，输出电流为1A/2A/3A/4A的版本引脚封装兼容，在PWM/PFM模式下，轻载情况下可自动进入省电模式，其他特点列举如下：

有不同的版本可满足不同的电流输入需求：1A/2A/3A/4A 引脚封装兼容。

无需太多外部组件，解决方案总体的尺寸很小，总体成本较低。

开关频率可调，通常默认为2.25MHz。

允许较宽范围的输出电容取值，满足FPGAs或MCUs的输入要求。

电压输出精度为±1%（PWM 运行）。

On-time 最小为50ns，允许直接将5V转5V成1V (f = 2MHz) 。

通过时钟展频可优化EMI。

TPS6281x-Q1是性能优异的产品，如需要兼顾价格因素，也有其他性价比产品供推荐，列举如下表1所示：

 

	1A	2A	3A	4A
高性能	TPS62811-Q1	TPS62812-Q1	TPS62813-Q1	TPS62810-q1
高性价比	TPS62290-Q1	TPS62065/67-Q1	TPS62090-Q1

 

表- 1

审核编辑：郭婷