电源管理

1.5串联电容降压变换器的测试结果

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我们在前面提到我们这个串联电容 Buck 电路的一些主要的工作原理以及它的一些好处那么我们这一节主要要介绍一下它的测试的一些结果我们首先来看这个是我们 TI 专门针对于这种新型拓扑所推出的一个控制器它是集成了所有我们这个拓扑所需要的各种的必须要元件我们这个芯片是采用了一个自适应的恒定导通时间的控制方法那么它能够给我们系统一个更高的动态响应以及它纯粹是依靠我们内部的一个环路补偿右边是我们这个芯片的一个简单的框图我们可以看到我们的一个反馈电压一般会接到我们的 FB 脚上然后反馈电压会输入到我们的芯片内部然后经过误差放大器误差放大器同时也会接受一些输入的电压信息做一些前馈的控制那么由这个误差放大器作为做完补偿之后然后来产生一个导通时间的控制同样的话我们这个芯片也是提供一个同步的功能也就是说可以由外面输入一个 PWM 信号来跟我们的系统的开关频率做一个同步前面我们提到我们这个串联电容 Buck 电路它的一个最大的优点就是能够把我们的整个系统的一个开关频率提升简而言之一个最大的好处就是它能够把我们整个系统的尺寸给降低下来那么我们这里做了一个对于它的电流密度的比较市面上现在常见的这些工业的电源产品它们的电流密度一般都是不会大于 20A/cm³ 的但是像我们的 TPS54A20 也就是我们这颗定制的专门用于串联电容 Buck 电路的一个芯片那么它所做成的一个电源模型它的整个的电流密度就能够上升到超过 60A/cm³ 右边是我们评估板的一个简单的照片那么它整个板子它的尺寸它是不会超过 1.2mm 的高度但是下面第二个图它是给出了一个普通的 500kHz 的 Buck 电路那么它的电感仅仅是电感的一个高度就有可能是 4.8mm 的高度所以说从电流密度的方向来考虑的话我们这个新的串联电容 Buck 电路它的做出来的原型机比现在市面上现有的电源模块它的电流密度它能够提升三到七倍关于效率这个是大家最关心的一个问题开关频率提升确实会带来开关损耗的增加那么对于我们这个串联电容 Buck 电路它的一个效率是怎么样的呢我们可以看到这边是有一个图我们这里实际上是做了一个对比同样的条件下都是作为 12V 的输入、1.2V 的输出那么有一个是 530kHz 的传统 Buck 电路那么有一个是我们开关频率是 2MHz 的一个 TPS54A20 做了一个串联电容 Buck 电路的拓扑也就是我们前面提到的那个电源模块那么我们测下来它的整个电源的一个效率曲线的话就会发现传统的 530kHz 的 Buck 电路它的效率也就是在半载的时候大约也是会接近一个 87% 到的一个点那么满载的时候甚至于只有 83%、84% 的一个效率那么用了我们这个串联电容 Buck 电路的一个电源模块所得的一个效率曲线在整个电流负载段都是比我们的传统的 Buck 电路效率要高那么在半载的时候我们的效率可以达到大约 87%、88% 然后在满载的时候也是接近于 84% 也就是说在半载的时候我们可以效率提升到一到两个点那么在满载的时候至少提升一个点在这样的条件下我们的开关频率可以提升四倍那么就意味着我们的电源模块可以做到一个更小的体积第三个测试结果就是一个动态响应的结果前面我们提到串联电容 Buck 电路它的一个最大优点就是它内置一个无源的电流自动均衡的机制那么对于这种特性我们实际的效果是怎么样呢我们做了一个实验结果那么这是一个 12V 输入、1V 输出这是一个 500A/μs 的空满载的切换 2MHz 每路的一个开关频率我们左边这一路是一个由 0A 跳到 10A 的满载跳变我们可以看到在电流跳变这个瞬间输出电压有跌落但是我们 A、B 两相的电感电流却匹配得很好包括在由 0A 上升到各自相电流也就是 5A 左右的时候整个动态时间之内每相电流都匹配得非常好那么对于另外右边这个图这是由满载跳变到 0A 的一个过程也就是说当我们的满载突然卸掉的时候我们可以看到输出电压有一个波动但是我们每相的电感电流依然是跟随得非常好也就是说两路的电流匹配得非常好那么整个动态响应的话对于我们输入电压来说它的一个动态响应的速度也是非常快那么输出电压的纹波会小于 25mV 的波动那么整个的恢复时间也是小于 4us 所以说这个就是由于我们的 2MHz 高频所带来的一个快速响应的好处从电感电流的一个角度来看也就是两相的一个电感电流在动态包括空载到满载、满载到空载的时候这两个动态的时候它们电流均衡都是非常好的