采用 TPS6282xA 和 TPS62830x 的 DVS

什么是 DVS？

降壓轉換器中的動態電壓調節 (DVS) 是一種控制技術，其中轉換器的輸出電壓會根據不斷變化的負載條件或系統要求實時動態調節。此項特性能提高能效、降低功耗并適應不同的性能需求。例如，在輕負載或空閑條件下降低電壓可以省電，并且在執行高性能任務期間，電壓升高可以滿足計算需求，如圖 1所示。

DVS 如何工作？

在穩態運行期間，有幾種方法可以調整降壓轉換器的輸出電壓：

數字接口

借助 I2C、PMBus 或專有接口等協議，系統能夠向降壓轉換器發送電壓調節命令。在固態硬盤 (SSD)、智能手機和光學模塊等應用中，使用這些接口能動態調整主處理器的內核電壓，從而優化性能和功耗。

注入反饋引腳電流

使用帶有串聯電阻器的模擬控制電壓從外部將電流拉取或灌入反饋節點，以此調節輸出電壓。該模擬控制電壓可從以下位置生成：

• 離散電壓基準（例如 TLV431）
• MCU 的內部電壓基準
• 數模轉換器 (DAC)
• RC 網絡濾波的 PWM 信號

該方法支持連續的電壓調節，非常適合 CPU 等應用中的動態電壓調節 (DVS)。在這些應用中，一旦處于低功耗狀態，電壓會降低，而在執行高性能任務期間，電壓會升高。

調整反饋電阻分壓器

在此方法中，通過修改反饋分壓器網絡的電阻來調節輸出電壓。這可通過以下方式達成：

• 調節底部反饋電阻器 (R?)
• 調節頂部反饋電阻器 (R?)

開關控制的電阻器（與 R? 或 R? 并聯）能改變輸出電壓。這種方法非常適合需要兩個固定電壓電平（高/低）的系統，例如 USB Type-C? 電力輸送或在工作模式和睡眠模式之間切換的低功耗 MCU。

本應用簡報介紹了如何通過切換反饋網絡中的開關來動態更改輸出電壓，如圖 2所示。利用這種方法，可在轉換器可能的最低輸出（即反饋電壓）和較高預設輸出電壓之間動態轉換輸出電壓。在開關中添加另一個串聯電阻可與其他電壓組合使用。

TPS6282x 具有兩種型號。第一種型號可自動進入省電模式，在超輕負載條件下保持高效率，從而延長系統電池的運行時間。第二種型號可實現強制 PWM 運行，以維持連續導通模式，從而確保超低的輸出電壓紋波和準固定開關頻率。

針對動態電壓調節 (DVS)，在高至低輸出電壓轉換期間需要強制運行 PWM，以保持輸出電容器快速且受控的放電。當電壓降低時，必須通過低側 MOSFET 將負電感電流灌入 GND，并通過高側 MOSFET 將負電感電流灌入 VIN，來主動消除輸出電容器上多余的存儲電荷。

在非強制 PWM 模式（PFM 或 DCM）下，當實際輸出電壓高于反饋網絡和內部基準電壓設置的目標輸出時，轉換器停止開關。如此以來，無低阻抗路徑來對輸出電容器進行放電，并導致依賴于寄生電阻或負載電流發生慢速電壓衰減。強制 PWM 通過保持連續導通來避免發生這種情況，并確保同步整流器保持激活狀態以提供專用的放電路徑。

一個簡單的 N 通道 MOSFET (SI1300BDL) 與上部反饋電阻 (R1) 并聯，實現動態電壓調節 (DVS)。在使用 3.3V 柵極驅動器（相對于 GND）時，MOSFET 將導通，短接 R1，并強制反饋節點在基準電壓 (0.6V) 下進行調節。前饋電容器 (Cff) 在 R1 上至關重要，在電壓轉換期間它能保持控制環路穩定性，對阻抗突變進行補償并減少瞬態振蕩。

必須在基準測試期間憑經驗調整前饋電容器 (Cff) 值，以平衡轉換速度和環路穩定性。數值過小可能會出現下沖/振鈴，而數值過大會減慢響應速度。理想選擇取決于轉換器的交叉頻率、負載階躍特性以及 DVS 轉換期間觀察到的瞬態行為。

圖 3顯示了 TPS62826A 在 5V 輸入電壓，0A 負載電流和 68 pF Cff 下的 DVS 運行情況。

圖 3演示了 DVS 的運行情況，其中當向 N 通道 MOSFET 施加 3.3V 柵極驅動信號（上升/下降時間為 10ns）時，輸出電壓從默認的 1.2V 轉換到反饋穩壓待機電壓 (0.6V)。

圖 4（VOUT 下降沿縮放）顯示了 10μs 內輸出電壓從 1.2V 降到 0.6 的轉換。此時間的長短取決于輸出電容器放電期間的低側 FET 負電流限制。

圖 5（VOUT 上升沿縮放）展示了 20μs 內輸出電壓從 0.6V 上升到 1.2V 的轉換。將輸出電容器充電至新輸出電壓所需的轉換時間由 Cff 和控制環路帶寬決定。

使用 TPS62830x 實現 DVS

與 TPS6282x 不同，TPS62830x 具有一個 MODE 引腳，能控制器件的工作模式。當此引腳被拉至低電平時，器件在 PSM/PWM 模式下運行，而當拉至高電平時，器件在強制 PWM 模式下運行。即使器件處于運行狀態，也可以切換模式引腳。在反饋直接與 VOUT 相連接時，TPS62830x 系列本身支持 0.5V 的輸出電壓。圖 6 展示了使用反饋網絡的 DVS 的 TPS628303 電路圖。

TPS62830x 集成了一個內部前饋電容器，在典型應用中無需外部 Cff。然而，通過調整反饋網絡實現動態電壓調節 (DVS) 時，需要一個小型外部前饋電容器來防止低電壓到高電壓轉換（0.5V 至 1V）期間的過沖。

圖 7演示了 DVS 運行情況，其中當向 N 通道 MOSFET (SI1300BDL) 施加 3.3V 柵極驅動信號（上升/下降時間為 10ns）時，輸出電壓從默認 1V 轉換到反饋穩壓待機電壓 (0.5V)。

圖 8（VOUT 上升沿縮放）顯示了在沒有外部前饋電容器 (Cff) 的情況下輸出電壓從 0.5V 恢復至 1V。大約在 4μs 內完成轉換，但會出現 160mV 過壓。相比之下，圖 9演示了在頂部反饋電阻器 (R1) 上添加較小的外部 Cff (27pF) 后實現相同的電壓轉換，從而消除過沖，同時保持 10μs 的理想轉換時間。

與 TPS62826A 相比，TPS628303 具有更短的轉換時間，因為它是專用的輸出電壓檢測 (VOS) 路徑，可改善瞬態響應。除了專用 VOS 引腳外，還有其他影響 TPS62830x 環路響應的因素，例如帶寬和補償。

TPS62830x–雙源封裝

TPS62830x 器件系列提供兩種封裝類型（QFN 和 SOT583），它們之間的布局兼容。在設計階段考量時，電路板設計人員可以將兩種封裝尺寸重疊，如圖 10所示。這種重疊可以讓您靈活地在封裝之間切換并緩解任何潛在的電源問題。