電力系統(tǒng)設計人員正面臨來自市場的持續(xù)壓力，努力尋找充分利用可用電力的方法。在便攜式設備中，更高的效率可以延長電池的使用壽命，并將更多功能放入更小的封裝中。在服務器和基站中，效率的提升更是可以直接節(jié)省基礎設施（冷卻系統(tǒng)）和運營成本（電費）。

為滿足市場需求，系統(tǒng)設計人員正在改進多個領域的電力轉換過程，包括更高效的開關式拓撲、封裝創(chuàng)新和以碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）為基材的新型半導體器件。

開關式轉換器拓撲的改進

為充分利用可用電力，人們越來越多地采用基于開關技術而不是線性技術的設計。開關式電源（SMPS）的有效功率高達90%以上。這延長了便攜式系統(tǒng)的電池壽命，降低了大型設備的電力成本，并且可以省下以前用于散熱部件的空間。

轉至開關式拓撲有一定的缺點，其更復雜的設計要求設計人員具有多元化的技能。設計工程師必須熟悉模擬和數(shù)字技術、電磁學及閉環(huán)控制。印刷電路板（PCB）的設計人員必須更加注意電磁干擾（EMI），因為高頻開關波形會使敏感的模擬電路和射頻電路產生問題。

在晶體管發(fā)明之前，就已經有人提出了開關式電力轉換的基本概念：例如，1910年發(fā)明的凱特式感應放電系統(tǒng)，其使用了機械振動器來實現(xiàn)汽車點火系統(tǒng)的反激式升壓轉換器。

大多數(shù)標準拓撲已經存在了幾十年，但這并不意味著工程師不會調整標準設計來適應新的應用，特別是控制回路。標準架構使用固定頻率，在不同的負載條件下，通過反饋部分輸出電壓（電壓模式控制）或控制感應電流（電流模式控制）來保持恒定的輸出電壓。設計人員已經在不斷改進，以克服基本設計的缺陷。

圖1：電壓模式的降壓轉換器拓撲（資料來源：TexasInstruments）

圖1是基本閉環(huán)電壓模式控制（VMC）系統(tǒng)的框圖。功率級由電源開關和輸出濾波器組成。補償塊包括輸出電壓分壓器、誤差放大器、參考電壓和回路補償元件。脈寬調制器（PWM）使用比較器將誤差信號與固定斜坡信號進行比較，生成與誤差信號成比例的輸出脈沖序列。

雖然VMC系統(tǒng)的不同負載皆有嚴格的輸出規(guī)則，且容易與外部時鐘同步，但標準架構有一些缺陷。回路補償降低了控制回路的帶寬，放緩了瞬態(tài)響應的速度；誤差放大器則增加了作業(yè)電流，降低了效率。

在不需要回路補償?shù)那闆r下，恒定導通時間（COT）控制方案提供了良好的瞬態(tài)性能。COT控制使用比較器來比較調節(jié)后的輸出電壓和參考電壓：當輸出電壓小于參考電壓時，就會生成一個固定導通時間脈沖。在低占空比條件下，這會導致開關頻率非常高，因此自適應COT控制器便會生成一個隨輸入和輸出電壓而變化的導通時間，這在穩(wěn)定狀態(tài)下可以保持頻率幾乎不變。

TexasInstrument的D-CAP拓撲是對自適應COT方法的改進：D-CAP控制器在反饋比較器的輸入中增加了一個斜坡電壓，通過減少應用中的噪聲頻帶，斜坡改善了抖動性能。圖2是COT和D-CAP系統(tǒng)的比較。

圖2：標準COT拓撲（a）和D-CAP拓撲（b）的比較（資料來源：TexasInstruments）

針對不同的需求，D-CAP拓撲有幾種不同的變體。例如，TPS53632半橋PWM控制器使用D-CAP+架構，主要用于高電流應用，可以在48V到1V的POL轉換器中驅動高達1MHz的功率級，效率高達92%。

不同于D-CAP，D-CAP+反饋環(huán)增加了一個與感應電流成比例的部件，用于實現(xiàn)精確的下垂控制。在各種線路和負載條件下，增加的誤差放大器都可以提升DC負載的準確性。

控制器的輸出電壓通過內部DAC設置。當電流反饋達到誤差電壓水平時，這個周期就會開始。此誤差電壓與DAC設定點電壓和反饋輸出電壓之間經過放大的電壓差相對應。

改善輕負載條件下的性能

對于便攜式和可穿戴設備，需要改善輕負荷條件下的性能，以延長電池壽命。許多便攜式和可穿戴應用在大部分時間處于低功耗的暫時休眠或睡眠待機模式，只在響應用戶輸入或進行定期測量時才會激活，因此在待機模式下，盡量減少功耗是最優(yōu)先考慮的事情。

DCS-Control（無縫轉換至節(jié)能模式的直接控制）拓撲綜合了三種不同控制方案（即遲滯模式、電壓模式和電流模式）的優(yōu)點，以改善輕負載條件下的性能，特別是過渡至或離開輕負載狀態(tài)時。該拓撲支持中型和重型負載的PWM模式，以及用于輕負載的省電模式(PSM)。

在PWM操作過程中，系統(tǒng)根據(jù)輸入電壓，以其額定開關頻率運行，并控制頻率變化。如果負載電流降低，轉換器就會切換到PSM以保持高效率，直到降至非常輕的負載。在PSM下，開關頻率隨負載電流線性降低。這兩種模式均由單個控制塊進行控制，因此從PWM到PSM的轉換是無縫的，不會影響輸出電壓。

圖3是DCS-Control框圖。控制回路獲取關于輸出電壓變化的信息，并將其直接反饋給快速比較器。比較器設置開關頻率（作為穩(wěn)態(tài)運行條件的常數(shù)），并對動態(tài)負載變化提供即時響應。電壓反饋回路可以精確地調節(jié)DC負載。經過內部補償?shù)恼{節(jié)網(wǎng)絡通過小型外部組件和低ESR電容器便可實現(xiàn)快速穩(wěn)定的操作。

圖3：DCS-Control拓撲在TPS62130降壓轉換器中的實現(xiàn)（資料來源：TexasInstruments）

TPS6213xA-Q1同步開關式電力轉換器基于DCS-Control拓撲，針對高功率密度的POL應用進行了優(yōu)化。典型的2.5MHz開關頻率允許使用小型電感器，并能提供快速瞬態(tài)響應和高輸出電壓精度。TPS6213可以在3V到17V的輸入電壓范圍內操作，并且可以在0.9V和6V的輸出電壓之間輸出高達3A的連續(xù)電流。本文轉載自貿澤電子設計圈。