Torex HiSAT-COT™ 控制架構教學

此文章回顧切換式電源供應器的一些常見迴授式控制架構。本文說明每種架構的優缺點，並且詳細討論 Torex 的 HiSAT-COT™ 控制架構。HiSAT-COT 專為需要在固定頻率下具備超快速暫態響應和操作的應用所設計。這些應用包括網路和通訊設備、電源供應器模組，以及其他嵌入式產品。

切換式電源轉換器常用於可攜式系統，使其達到最佳電池續航力。此類元件可有效為電池電壓升壓或降壓，達到更高等級。切換式電源供應器提供電壓模式、電流模式，以及恆定導通時間回授式控制架構 (圖 1)。操作模式包含脈寬調變 (PWM) 和脈衝頻率調變 (PFM) 控制模式，以控制輸出電壓。PWM 以恆定切換頻率調整開／關時間比提供調節，PFM 則使用固定開／關時間比和可變頻率。

圖 1：PWM DC 供應器可為電壓模式或電流模式，PFM DC 供應器可為恆定導通時間元件。(圖片來源：Torex)

PWM 和 PFM 有何不同？

PWM 轉換器是 DC/DC 功率轉換器架構，使用固定頻率振盪器驅動電源開關，以及從輸入到輸出轉換能量。驅動訊號為恆定頻率，但其工作週期有變化 (功率 FTE 的導通時間與總切換週期的比率)。時脈頻率為固定，工作週期則基於操作條件調整。

在 DC-DC 功率轉換器中使用可變頻率驅動電源開關的架構稱為脈衝頻率調變 (PFM)。驅動訊號的頻率為直接控制，調節輸出電壓。搭載恆定導通時間或恆定非導通時間控制的 DC/DC 轉換器就是 PFM 架構的典型範例。

電壓模式控制

圖 2 顯示含電壓模式控制的降壓功率轉換器。此架構使用單一電壓回授路徑。PWM 比較器驅動控制區塊，產生 PWM 訊號以控制高側切換，比較誤差電壓與斜坡電壓。

圖 2：含電壓模式控制的降壓功率轉換器。(圖片來源：Torex)

電壓模式控制的優點：

• 相較於電流模式控制，對雜訊較不敏感
• 單回授迴路能更容易分析
• 可在寬廣的輸入電壓和工作週期操作

電壓模式控制的缺點：

• 回路增益對 VIN 成比例
• 需要複雜的補償
• 慢速回應 - 在輸出感應輸入電壓的改變
• 電流限制必須分開完成

圖 3 顯示含電流模式控制的降壓功率轉換器。此架構使用兩個回授途徑感應輸出電壓和電感電流。

圖 3：含電流模式控制的降壓功率轉換器。(圖片來源：Torex)

電流模式控制的優點：

• 快速因應線路和負載變動
• 更容易補償
• 電流限制
• 簡化的負載分擔

電流模式控制的缺點：

• 有兩個迴路，因此更難進行電路分析
• 功率級的共振會將雜訊導入內部控制迴路¹
• 需要斜率補償

圖 4 顯示含恆定導通時間 (COT) 控制的降壓功率轉換器。COT 控制架構無時脈且頻率可變。

圖 4：含恆定導通時間控制的降壓功率轉換器。(圖片來源：Torex)

COT 模式控制的優點：

• 達到最少外接元件數量需求
• 快速暫態響應
• 無需補償
• 可在眾多負載情況下維持效率

電流模式控制的缺點：

• 頻率變化
• 需輸出漣波抑制
• 對輸出雜訊敏感
• 需過電流防護

COT 架構最大的缺點為頻率的變化可能導致對穩壓器鄰近的敏感電路產生電磁干擾 (EMI)。Torex 採用其自行研發HiSAT-COT 控制架構，克服此弱點。HiSAT-COT 為恆定導通時間高速電路架構的縮寫。圖 5 顯示 COT 和 Torex 的 HiSAT-COT 控制架構的比較。

圖 5：Torex 的 HiSAT COT 元件與一般 COT 轉換器的比較。 (圖片來源：Torex)

Torex 的第 2 代 HiSAT-COT 控制架構提供固定頻率操作並提升輸出準確度。 圖 6 顯示典型 HiSAT-COT 頻率變化對負載電流曲線。

圖 6：Torex 的第一代和第二代 Hi-SAT COT 元件的頻率變化對負載電流。(圖片來源：Torex)

HiSAT-COT 控制架構相較於市面上的傳統 DC-DC 產品，可產生超快速暫態響應，如圖 7 所示，並且無須外部補償。有負載時，約提升 6 倍，負載移除時，則提升 9 倍。

圖 7：Torex 第二代 HiSAT-COT 和標準 PWM 控制轉換器負載暫態響應的比較。(圖片來源：Torex)

第 2 代 HiSAT-COT 控制架構亦提升 DC 輸出電壓的準確度。透過優異的溫度補償參考電壓電路，可在溫度變化下達到 +/-1% 頻率頻寬 (FB) 電壓準確度 (圖 8)。低電壓時需要維持高電壓準確度，這是由於許多微處理器單元 (MPU) 負載需要緊密的輸入電壓容差。

圖 8：Torex 的第一代和第二代 HiSAT-COT 元件的典型輸出電壓準確度對頻率。(圖片來源：Torex)

Torex 近期推出全新系列的 HiSAT-COT 控制元件 XC9281/XC9282，是超小型 600 mA 降壓 DC-DC 轉換器。此元件的操作輸入電壓為 2.5 V 至 5.5 V，輸出電壓在 0.7 V 至 3.6 V 可調整。此元件僅消耗 11 µA 的靜態電流。以 6 MHz 切換頻率操作，可使用 0.47 µH 電感並具有 1.0 x 0.5 mm 的尺寸。可使用 0.6 x 0.3 mm 陶瓷電容為輸入電容 (CIN) 和輸出電容 (CL)。採用這些元件，能讓包含周邊裝置元件的安裝區域僅 6.6 mm²。(圖 9)

圖 9：Torex 的 XC9281/XC9282 元件含周邊裝置元件的安裝區域。(圖片來源：Torex)

表 1 顯示 Torex 的第 2 代 HiSAT-COT 產品。

表 1：Torex 的第 2 代 HiSAT-COT 產品。(圖片來源：Torex)

總結

欲設計負載點電源電路的設計師現在可以自 Torex 的產品系列選擇。這些元件可在寬廣操作條件下提升效率。HiSAT-COT 系列的產品藉由在高切換頻率操作及提供超快速暫態響應，可透過縮減電感和輸出電容的尺寸，縮減整體解決方案尺寸。

參考資料

1. 《切換式電源供應器拓撲電壓模式與電流模式的比較》，Robert Mammano，Unitrode，DN-62，1994 年 6 月。