自适应导通时间降压电路的虚拟ESR环路设计

1 引言

自适应导通时间的降压电路(AOT)由于其快速的动态相应、简便的设计、低成本的整体方案等优势，赢得了越来越多在消费电子、PC主板供电、要求快速动态相应以及低成本领域的应用。为了适应更小的整体电源方案以及更小的输出电压纹波，陶瓷电容成了必然的选择。由于AOT工作原理的限制，不能由电解电容、固态电容直接替换成陶瓷电容。所以，必须加一个虚拟ESR电路，生成与电感电流同相位的纹波电压，来稳定系统，实现AOT的工作。

2 AOT工作的原理

图1所示是一个准固定频率(pseudo-fix frequency)的自适应固定导通时间的buck转换器简单示意图。输出电容Cout的ESR产生输出电压纹波，这个电压纹波被用来作为PWM产生的依据。当输出纹波往下跌落触发到反馈参考电压(FB Threshold)的时候，上管Q1开通。 开通的时间是由内部一个计时器(one-shot timer)来控制的。 当这个计时器被输出纹波所触发的时候，芯片就送出一个导通(on-time)脉冲来开启上管Q1。这个脉冲的周期和输入电压成反比而和输出电压成正比。

显然，当使用陶瓷电容作为输出电容的时候，ESR很小，在ESR上产生的纹波电压远小于电容充放电的纹波电压。电容充放电的纹波电压落后ESR上纹波电压90度，用这个反馈电压来控制系统，是没有办法正常工作的。

图 1 AOT电路的示意

3 虚拟ESR电路

RL，CL和Cc构成虚拟ESR电路，如图2所示。通过参数设计调整，让CL上的电压与电感电流同向，从而虚拟一个输出电容的ESR电压。再通过Cc去掉直流成分，把ESR电压的交流成分加到回馈的直流电压上。这就虚拟出一个具有高ESR输出电容的纹波情况，保证AOT能正常工作。

图2 虚拟ESR电路

4 虚拟ESR电路分析

回馈到FB的交流电压有2个成分，一个是电感电流引入的回馈量，一个是输出电压回路引入的回馈量。下面的分析中将不考虑输出电容的寄生电感影响，因为这个寄生电感的影响是瞬态的，并且对相位不产生影响。

如图3所示，电感电流引入的交流回馈量为fb1，由式(1)计算。

(1)

其中：Fs—工作频率;VL_select 是CL两端的电压，可以由式(2)得到：

(2)

IL_ripple是电感L中的电流纹波，可以由BUCK电路的基本DC模型得到。

图 3 电感电流引入的回馈通路图

[p]

图4所示是由输出电压引入的交流回馈量通路图。

图 4 输出电压引入的回馈量通路图

由输出电压引入的交流回馈量为fb2，由式(3)计算。

(3)

其中：Vout_Ripple是输出电容上的交流纹波电压，包含2个部分：输出电容的ESR引起的纹波电压;输出电容充放电引起的纹波电压。可以由公式(4)计算得出。

(4)

把式(1)和式(3)向量相加，就可以得到FB的向量。使用不同的Cc，CL和RL的值，使得FB向量的相位和电感L中电流的相位同向或者接近，就可以实现虚拟ESR的功能。

图5所示的是电感电流，电感电压，fb1，以及fb2的向量关系图。

图 5 向量关系图示

[p]

5 实际电路设计验证

使用Semtech的ECOSpeed系列产品SC402B做一个设计实例，用来验证VESR电路理论的正确性。SC402B是一个支持10A输出的高性能降压调整器。FB需要纹波值最小为10mV。

设计实例的参数为：输入12Vin;输出1Vout/10A; 输出电容是全陶瓷电容设计;工作模式为强制连续。

图 6 实例电路

通过前述方式计算得到FB的交流纹波值为15mV，实际测量值为23mV。 实际测量波形如图7所示。

图 7 实例电路测量波形

6 结语

本文主要介绍了虚拟ESR电路的设计方法，并在实际电路上进行了验证。

参考文献

[1] 升特半导体有限公司， SC402B产品数据手册， www.semtech.com

[2] 升特半导体有限公司， Power Management – Constant Ontime Architecture High Current Converter, www.semtech.com

作者简介

毛敏，(1980- )， 男， 汉族， 工程师， 本科， 2003年毕业于浙江大学电气工程学院， 现在升特半导体(深圳)有限公司担任应用工程师。 主要负责升特半导体有限公司电源产品的技术支持和应用。■