ZHCAA96A August 2019 – May 2021 TLV62568 , TLV62568A , TPS62840

3 降壓轉換器架構

架構 A：降壓轉換器 + LDO

圖 3-1 架構 A 方框圖

要討論的第一種架構是一種常見的解決方案，其中在降壓轉換器之后采用 LDO 來降低輸出電壓紋波，進而達到所需的輸出電壓精度。

使用這種拓撲的好處在于，與單獨的降壓轉換器相比，該解決方案可憑借 LDO 的電源抑制比 (PSRR) 實現低噪聲敏感電源軌。當多個 LDO 依靠單個降壓轉換器進行級聯來形成多個電源軌時，還帶來一個額外的好處：只有一個而不是多個開關轉換器為電源軌供電，因此抑制幅度和輸出電壓紋波的頻率幾乎相同。使用多個開關轉換器時，輸出電壓頻率和幅度之間沒有相關性，而 LDO 的 PSRR 在特定開關頻率下保持恒定，并且不會增加任何開關元件。

使用這種拓撲進行設計時，LDO 的噪聲濾波能力值得注意。對于噪聲敏感型電源軌，可選擇高 PSRR 的 LDO。但是，此 PSRR 會隨開關頻率和輸出電流而變化。圖 3-2 舉例說明了 TPS7A05（架構 A 中使用的 LDO）在這方面的特性。通常情況下，LDO 在較低的開關頻率下（例如，當轉換器在 PFM 模式下運行時）具有較好的噪聲衰減，而在較高的開關頻率下（例如，當轉換器在標稱開關頻率下運行時）噪聲衰減性能較差。這意味著，可通過增加輸出電容值來改善高頻下的 PSRR。

圖 3-2 TPS7A05 在 200mA 負載電流和 0.8V 輸出電壓下的 PSRR 曲線

需要注意的另一點是 LDO 的效率，可按照Equation2 進行計算。較高的壓降會降低系統效率，從而導致電源樹在所有負載水平下都從電池汲取更多電流，最終將縮短電池壽命。如Equation3 和Equation4 所示，較高的壓降還會導致 LDO IC 內部溫度升高，因此在需要滿足室外工作溫度要求的設計中尤其要注意這一點。

Equation2.

L D O ? E f f i c i e n c y = \frac{I_{O} V_{O}}{(I_{O} + I_{Q}) V_{I}} \approx \frac{V_{O}}{V_{I}}

Equation3.

I C ? T e m p e r a t u r e = T_{A} + R_{θ J A} P_{D}

Equation4.

L D O ? I C T e m p e r a t u r e = T_{A} + R_{θ J A} I_{O} (V_{I} - V_{O})

另一款可考慮用于該架構的 LDO 是 TPS7A02，即使處于壓降狀態，該器件也具有 25nA 的超低標稱 I_Q。TPS7A02 還經過了優化，具有出色的瞬態性能，并包含一個具有內部控制下拉電阻器的智能使能電路，有助于最大限度減少用于下拉使能引腳的外部元件數量。

架構 B：FPWM 降壓轉換器

圖 3-3 架構 B 方框圖

第二種架構是適用于噪聲相關應用的簡單解決方案。一個高效的開關轉換器在輕載條件下被強制保持在 PWM 模式下，而不是進入節能的 PFM 模式。在 PFM 模式下，僅當輸出電壓降至標稱輸出電壓以下時，轉換器才會在短時脈沖下工作。這種模式僅在超過最小輸出電壓閾值時才進行導通和開關操作，因此降低了開關損耗，節省了功率。

對于以 PFM 和 PWM 兩種模式工作的降壓轉換器，在動態負載條件下，隨著降壓轉換器將工作模式從 PFM 更改為 PWM 或反向更改，可看到紋波電壓和頻率發生變化。在 FPWM 器件中看不到此行為，因為無論施加的負載如何，都會使該器件強制保持在 PWM 模式下。所以，FPWM 降壓轉換器的優勢在于開關頻率不會改變，從而為固定輸出電容器提供了相當恒定的紋波，并改善了負載變化時的瞬態響應。此外，由于沒有 LDO，滿載時的系統效率比先前的級聯架構要高得多。

這種架構的缺點是 I_Q 較高且輕載效率較低。這兩個缺點都是 FPWM 模式直接造成的。無論負載條件如何，器件始終處于 PWM 模式下，因此即使空載，器件仍會高頻開關并汲取更大的電流，這將導致高 I_Q。出于同樣的原因，降壓轉換器在輕載時汲取的電流遠高于輸出電流，因此輕載效率極低。

架構 C：降壓轉換器 + π 型濾波器

圖 3-4 架構 C 方框圖

要討論的第三種也是最后一種架構是一款高性能解決方案，其中對噪聲敏感的電源軌由高效的開關轉換器供電來生成所需的電壓。如圖 3-4 所示，其后是一個鐵氧體磁珠 π 型濾波器，用于衰減開關噪聲。在此配置中，降壓轉換器可在節能的 PFM 模式下工作，如前所述，這樣便可在輕載條件下實現更高的效率。

實施此架構可在滿載條件下產生超低且更為一致的輸出電壓紋波，因此該架構非常適合具有嚴格電源噪聲要求的外設。這些外設在上電和處理數據時具有更嚴格的電源調節要求，而輕載通常對應于待機或關斷模式下的外設，所以滿載噪聲水平比輕載噪聲水平更值得關注。

除了低噪聲外，該架構在所有負載水平下均可提供高效率。與架構 B 相似，該拓撲只有一個降壓轉換器而沒有 LDO，因此系統效率比使用一個或多個 LDO 的電源架構高很多。與架構 B 不同，帶有 π 型濾波器的降壓轉換器可從外部滿足噪聲要求，因此允許轉換器在 PFM 模式下運行，并提高輕載條件下的效率。

在使用此架構進行設計的過程中需要考慮一些因素。為了設計 π 型濾波器，有必要針對外設的工作負載條件計算降壓轉換器輸出電壓紋波的頻率和幅度，并且在選擇鐵氧體磁珠及其周圍的無源器件時需要進行進一步的計算。π 型濾波器的實現并不像 LDO 那樣簡單，此過程需要在降壓轉換器的標稱開關頻率下選擇足夠大的 PSRR。此外，π 型濾波器實現抑制的帶寬更為有限，并且穩定時間會有細微變化（穩定時間是濾波器值的函數）。

此設計采用鐵氧體磁珠，并為 π 型濾波器選擇以下值：

C_IN = 0.1μF
C_OUT = 10μF
R_DAMP = 0.33Ω
C_DAMP = 47μF

π 型濾波器的設計使用 TIDA-01579 中的公式和條件完成。圖 3-5 展示了鐵氧體磁珠的濾波器電路和等效電路。

圖 3-5 π 型濾波器電路圖