模仿芯视界 运用第二级滤波器来削减电压纹波

  并构建了三种不同电源，以展现在相似作业条件下每种操控形式的功用。关于每种规划，输入电压为 12V，输出电压为 1V，而且每个器材的输出电流能到达 15A。这些是

  为了束缚滤波器规划和功用预期，答应的纹波电压为输出电压的 ±0.15% 或 ±1.5mV (3mVpp)。咱们选用三个TI直流/直流转换器作比较：15A D-CAP3™ 降压转换器(TPS548A28)、 20A 内部补偿高档电流形式 (ACM) 降压转换器 (TPS543B22) 和 15A 电压形式降压换器(TPS56121)。咱们在转换器支撑相似第二级滤波器元件的才能范围内，挑选了尽可能互相挨近的输出电压、输出电流和作业频率。

  即便运用低等效串联电阻 (ESR) 陶瓷输出电容器，经过降压转换器的电感器和电容器 (LC) 输出滤波器来完成低输出电压纹波也是不切实际的。要完成低于 5mV 的输出纹波，规划人员在大多数状况下要运用第二级 LC 滤波器。有关第二级滤波器规划或纹波丈量技能的更多信息，请参阅资源部分。可运用方程式 1并求解 L2 来核算第二级滤波器的电感器值。电感器 L2 是第二级电感器，C1 是降压转换器的初级输出电容器，C2 是第二级电容器网络。一切三种规划都运用了相同的第二级滤波器（如表 1所示），占用了 92mm2的电路板面积（如图 1所示）。

  挑选第二级电感器值 (L2) 并拼装元件后，下一步是经过增加第二级电感和电容来从头补偿直流/直流转换器的操控环路，以保证安稳性。有必要指出的是，每个操控架构都有自己共同的技能，可在增加第二级滤波器后从头补偿操控环路（如需）。咱们对每个操控架构的输出电压纹波、功率丢失和安稳才能进行了评价并汇总出成果。

  经过将输出电压和基准电压的电压差错信号与稳定锯齿-斜坡波形作比较，可完成具有电压形式操控架构的脉宽调制 (PWM)。斜坡由振荡器宣布的时钟信号发动。TPS56121选用外部补偿 3 类补偿来寻址双极功率级，然后答应在增加第二级滤波器后对转换器进行从头补偿。在增加第二级滤波器后调整外部电阻器和电容器值可保证安稳性。在没有额定滤波器的状况下，输出电压峰峰值纹波为 4.8mV。运用额定滤波器后，输出电压纹波为 1.9mV（如图 2所示）。在这种状况下，TPS56121 规划无需调理环路补偿即可保证安稳性。图 3显现了具有 10A 负载阶跃的负载瞬态波形，而且施行第二级滤波器后的输出电压波形没有不安稳的痕迹。

  D-CAP3 运用一次性计时器生成与输入电压和输出电压成正比的导通时刻脉冲。当下降反应电压等于基准电压时，将生成新的 PWM 导通脉冲。斜坡由输出电感器仿真。来自内部纹波注入电路的信号直接馈入比较器，消除了其失调电压，由此削减了对电容器 ESR 输出电压纹波的需求。D-CAP3 和其他稳定导通时刻转换器的优势之一是无需额定的环路补偿电路。可是，假如器材支撑此功用，而且在输出电压反应电阻分压器网络中增加了前馈电容，则操控环路的功用可经过可调斜坡做调整。在没有额定滤波器的状况下，TPS548A28输出电压峰峰值纹波为 7.6mV。运用额定滤波器后，输出电压纹波为 2.3mV（如图 4所示）。在此状况下，TPS548A28规划无需做调整即可保证安稳性。图 5显现了与之前的转换器具有相同 10A 负载阶跃的负载瞬态波形，而且施行第二级滤波器后的输出电压波形没有不安稳的痕迹。

  内部补偿 ACM是根据纹波的峰值电流形式操控计划，它运用内部生成的斜坡来表明电感器电流。这种操控形式可在非线性操控形式（如 D-CAP3）的更快瞬态响应速度与其他外部补偿固定频率操控架构（如电压形式操控）的广泛电容器安稳性之间完成平衡。ACM 是一种较新的操控架构，它答应运用单个电阻器（而非电阻器和电容器网络）对环路进行补偿。TPS543B22具有三个可选 PWM 斜坡选项，可在施行第二级滤波器时优化操控环路功用。风趣的是，咱们注意到它的评价模块在电路板上具有电容器和电感器焊盘，可方便地包容第二级滤波器元件。在没有额定滤波器的状况下，TPS543B22输出电压峰峰值纹波为 7.4mV。运用额定滤波器后，输出电压纹波为 1.3mV（如图 6所示）。TPS543B22规划无需调整斜坡即可保证安稳性。图 7显现了与之前的转换器具有相同 10A 负载阶跃的负载瞬态波形，而且施行第二级滤波器后的输出电压波形没有不安稳的痕迹。

  在具有和不具有额定第二级滤波器的状况下丈量了每个直流/直流转换器的满载功率以比较功率损耗。表 2所示为相关成果。第二级滤波器的功率损耗和功率丢失可忽略不计。之所以丈量功率和功率损耗差异，是因为每个直流/直流转换器都具有共同的功率 MOSFET，这会导致功率定论不精确。功率丢失和额定所需的 92mm2布板空间是否值得改进输出电压纹波，这由规划人员决议。

  规划人员曾经运用额定的低压降 (LDO) 稳压器对直流/直流转换器的输出电压进行后置稳压，并完成低输出电压纹波。假如规划人员更喜爱运用 LDO 而不是第二级滤波器，则能够并联 4ATPS7A54来供给高达 8A 的电流。例如，假如 LDO 的压降为 175mV，则两个 LDO 在 8A 电流下的耗散功率为 1.4W，而第二级滤波器的耗散功率为0.02W。LDO 的输出电压纹波噪声较低，为 4µV，但假如第二级滤波器为 SoC 和 AFE 供给可接受的低输出电压纹波，则长处是尺度更小、功率损耗更低且元件本钱更低。

  第二级滤波器是一种简略、细巧、高效且低本钱的解决计划，可为高电流负载规划供给低输出电压纹波。没有适用于每种规划状况的完美操控形式，但能够在许多降压转换器操控架构中施行第二级滤波器。假如您运用网络接口卡SoC或是运用AFE 的长途无线电单元进行规划，则第二级滤波器可供给比规范降压转换器低得多的纹波。表 3总结了与每个器材相关的纹波以及功率和尺度权衡。