20年前，簡(jiǎn)單易用的集成開(kāi)關(guān)穩壓器的問(wèn)世帶來(lái)了電源管理技術(shù)革命。此前，大多數的應用都是采用線(xiàn)性穩壓器作為電源電壓以及復雜的專(zhuān)有開(kāi)關(guān)式電源。而今，美國國家半導體著(zhù)名的Simple Switcher系列ＤＣ－ＤＣ穩壓器已被廣泛應用在各式各樣的設計中。在實(shí)現Simple Switcher電源的環(huán)路穩定性方面，有兩個(gè)方法可以采用：一是固定的內部補償，但這個(gè)方法會(huì )影響設計人員選擇輸出級電感器和電容器時(shí)的自由度；二是從外部作補償，這方法雖然可帶給設計人員較大的電源級元件選擇靈活性，但卻會(huì )使設計過(guò)程變得更為復雜。
一種全新的控制方式 – 仿紋波模式(ERM)現已應用在Simple Switcher最新的降壓穩壓器產(chǎn)品上，可以有效的簡(jiǎn)化電源設計。設計人員無(wú)需再擔憂(yōu)穩定性方面的問(wèn)題，包括控制環(huán)路的補償和輸出紋波電壓的高低。
如何駕馭滯后模式轉換器
與電壓模式控制和電流模式控制的架構比較，滯后模式控制無(wú)需使用補償組件。因此，從定義上看滯后模式轉換器的控制環(huán)路是不穩定的。
在這種穩壓器中，輸出電壓會(huì )被保持在兩個(gè)滯后閾值之內。當輸出電壓下跌至閾值以下時(shí)，一個(gè)全新的開(kāi)關(guān)開(kāi)啟周期便會(huì )立刻被觸發(fā)，直至到達了滯后比較器的高階閾值，那周期便會(huì )終結。這個(gè)控制方式事實(shí)上非常簡(jiǎn)單，因為當中無(wú)需任何的振蕩器和控制環(huán)路管理�？墒�，這種設計有一個(gè)缺點(diǎn)，就是經(jīng)常需要反饋電壓紋波來(lái)進(jìn)行修正。假如采用很低等效串聯(lián)電阻(ESR)的中等尺寸電容器(例如是陶瓷類(lèi)電容器)來(lái)過(guò)濾輸出電壓，輸出紋波雖然可以很低，但不可以很準確地達到滯后閾值。事實(shí)上，這些具備極低ESR的電容器所看到的電壓紋波，會(huì )被相位位移到開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的真正開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間。在一個(gè)滯后模式控制中，我們需要在開(kāi)啟時(shí)加大反饋電壓，并在關(guān)閉時(shí)減少反饋電壓。這樣，我們才可從滯后比較器獲得下一個(gè)周期的正確指令信號。然而，一個(gè)極低ESR的輸出電容器會(huì )降低輸出的紋波電壓，而且掠去滯后電容器所需的紋波電壓�；谏鲜鲈�，仿紋波模式(ERM)控制應運而生。
ERM(仿紋波模式)控制
仿紋波模式轉換器用來(lái)感測關(guān)閉期間的感應電流，并將其中一些紋波電壓以交流電壓的形式注入到誤差放大器的輸入。這些紋波中的交流電份量帶有正確的相位，能夠為滯后模式控制產(chǎn)生出正確的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間。然而，滯后比較器輸入中的交流電部份只會(huì )在滯后比較器等電路需要的地方才會(huì )出現，，不會(huì )出現在轉換器的實(shí)際輸出電壓中。這個(gè)功能使得在滯后模式設計中可以采用非常低的ESR陶瓷輸出電容器。市場(chǎng)上率先出現的具備此類(lèi)功能的產(chǎn)品是美國國家半導體的LM3100、LM3102和LM3103 Simple Switcher穩壓器。圖1表示出一個(gè)設立了ERM控制的降壓穩壓器電路，其中的仿紋波模式的實(shí)現利用了一個(gè)位處二極管節點(diǎn)和誤差放大器參考電壓之間的電容器。
圖1 采用仿紋波模式的降壓滯后穩壓器
如何量度輸出電壓的紋波
設計低輸出電壓紋波的電源時(shí)，最重要的是事前了解真正輸出紋波電壓的大小。當用示波器探針測量電源的輸出電壓時(shí)，會(huì )發(fā)現當中有兩個(gè)交流電成份。其中一個(gè)成份通常被指是 “紋波”，它是由輸出電容器的ESR或由電容器本身的紋波所引起的輸出電壓變化。紋波中的ESR成份一般都會(huì )比來(lái)自電容的較大，不過(guò)如果采用的是陶瓷輸出電容器，那ESR的部份便會(huì )比電容的較少。圖2表示出一個(gè)采用介質(zhì)輸出電容器的降壓穩壓器之輸出紋波電壓，在紋波電壓方面，來(lái)自ESR的影響比來(lái)自電容的較大。圖3則表示出另一個(gè)電路的輸出紋波電壓，該電路只采用一個(gè)ESR極低的陶瓷輸出電容器。圖中，大部份的紋波電壓都是來(lái)自電容而非ESR，而紋波的波形像一個(gè)正弦波，而不是如圖2般由ESR引起的電壓轉變。在兩個(gè)波形圖中，通道1是開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓，而通道2則是在交流電模式下量度出來(lái)的輸出電壓。
圖2 采用了較高ESR輸出電容器后的輸出紋波波形
圖3 采用了較低ESR輸出電容器后的輸出紋波波形
圖4表示出一個(gè)隨意的測量結果，期間沒(méi)有理會(huì )太多原本的測量設定。圖中，我們看到在開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)出現有很大的電壓尖峰，遠遠大于真正的紋波波幅，但通常不當作是紋波電壓。在這個(gè)例子中，這些尖峰的峰峰電壓均超過(guò)1V，而這些尖峰其實(shí)是噪聲尖峰，且大部份都已被測量設定量度出來(lái)。在功率FET的過(guò)渡期間會(huì )產(chǎn)生很高的頻率，而在開(kāi)關(guān)過(guò)渡時(shí)，電流會(huì )在幾納秒內來(lái)回從零切換，這時(shí)整片電源板都會(huì )感受到很大的di/dt變化。
圖4 帶有開(kāi)關(guān)噪聲的輸出紋波電壓
圖5表示出LM3102評估板的測量結果，其中探針依附著(zhù)輸出電壓。實(shí)現的方法是把探針尖夾在輸出，并將一條5英寸長(cháng)的高阻抗地線(xiàn)夾到電路板的接地。這條相對較長(cháng)的地線(xiàn)會(huì )作用為一條天線(xiàn)，把電路板的di/dt 噪聲吸收。
接著(zhù)，我們進(jìn)行同樣的測量，只是移除用作天線(xiàn)的長(cháng)地線(xiàn)，并用一條總線(xiàn)纜線(xiàn)纏繞著(zhù)探針尖的接地，而且把它連接到一個(gè)與輸出電壓很近的接地，從而大幅地削減輸出電壓的尖峰。為了盡量縮減接地環(huán)路的尺寸，直接對設計上的輸出電容器測量也不失為一個(gè)好主意。圖6表示出把探針連到接地的測試裝置，可以消除大部份的開(kāi)關(guān)噪聲。同樣的測量技巧還應用在先前的圖2和圖3。
圖5 隨意測量裝置的較長(cháng)探針與接地連接
圖6 很短的測量接地環(huán)路連接
要降低輸出電壓紋波圖中的開(kāi)關(guān)尖峰，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是開(kāi)啟示波器的帶寬限制功能。在進(jìn)行過(guò)以上的測量后，我們應該會(huì )對開(kāi)啟帶寬限制很有信心。因為大部份看到的信號都是與測量有關(guān)，而不是輸出電壓上的真正電壓尖峰。從圖2到圖4，示波器的帶寬限制功能都被關(guān)閉。
垂手可得的低輸出紋波電壓
利用仿紋波模式來(lái)設計低輸出電壓紋波滯后模式穩壓器其實(shí)非常容易。因為無(wú)需擔憂(yōu)環(huán)路補償的問(wèn)題，而且還可以選用陶瓷輸出電容器可有效降低輸出紋波電壓。
當研究交流電輸出電壓時(shí)，最重要是將紋波和噪聲區分。此外，所用的測量技術(shù)對讀數的解譯也非常重要。
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