第四節(jié) TPS6281x-Q1：二級(jí)電源的“種子選手”

承接上一節(jié)對(duì)寬輸入降壓電源的介紹，本節(jié)我主要介紹窄輸入降壓電源。在汽車應(yīng)用中，如果說寬輸入降壓電源對(duì)應(yīng)的是12V/24V轉(zhuǎn)5V(3.8V…)的一級(jí)電源（主電源）；那窄輸入降壓電源對(duì)應(yīng)的則是5V(3.8V…)轉(zhuǎn)3.3V(1.8V…)的二級(jí)電源。

本節(jié)內(nèi)容，我將會(huì)探討在電源樹中使用兩個(gè)BUCK作為二級(jí)電源時(shí)，采用哪種方式可以減少開關(guān)噪聲并實(shí)現(xiàn)更高的效率，此外還將介紹TI在二級(jí)電源應(yīng)用中的明星產(chǎn)品---高性能的TPS6281x-Q1以及高性價(jià)比的其他產(chǎn)品。

電源樹中BUCK的同步方式

在汽車應(yīng)用中可能會(huì)用到不同的電源電壓為不同功能模塊供電。例如，有些MCU至少有兩個(gè)電源軌，分別為I / O口以及內(nèi)核供電。這些電壓通常由LDO或BUCK產(chǎn)生。如果用多個(gè)BUCK產(chǎn)生不同的電源軌，需要考慮如何最大程度地降低系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)噪聲。通?？梢栽贐UCK的輸入端加入合適的去耦電容以降低噪聲。然而不同BUCK有不同開關(guān)頻率，這給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。這里列舉了兩個(gè)BUCK產(chǎn)生兩種輸出電壓的電源樹的五種不同配置方法。在這五種配置中，所使用的電感、輸入輸出電容、RCF以及工作頻率(2.25MHz)基本一致，在控制變量的情況下討論了電流和電壓的測(cè)量數(shù)據(jù)。后面闡述到的例子均是使用了兩顆TPS62810。其輸入電壓為5V，輸出電壓分別為3.3V和1.8V，輸出負(fù)載均為2A。TPS62810支持多種方式配置開關(guān)頻率，如通過設(shè)置COMP / FSET引腳和GND之間的阻值，或者通過改變MODE / SYNC引腳的輸入信號(hào)。

方式一：非同步

第一種配置方法是BUCK最常用的方法。將 MODE / SYNC引腳連接到GND，這是TPS62810最靈活的操作模式。在重載下，BUCK以連接到COMP / FSET引腳的電阻決定的開關(guān)頻率工作。 在這個(gè)例子中RCF1和RCF2具有相同的值，因而兩個(gè)BUCK被設(shè)置為相同的開關(guān)頻率。 在輕載下，可以通過設(shè)置MODE / SYNC引腳以降低開關(guān)頻率，從而提高效率。 圖1為該配置的簡(jiǎn)化示意圖。

圖2顯示了該配置下測(cè)得的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。該 測(cè)量是在有限的帶寬下進(jìn)行的，所以開關(guān)邊沿比實(shí)際情況看起來要慢，這樣可以更好地顯示不同BUCK的工作頻率之間的關(guān)系。 由于觸發(fā)設(shè)置為BUCK 1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，因此該開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的波形清晰可見，而開關(guān)節(jié)點(diǎn)2的波形較為模糊，但可以明顯看出BUCK 1和BUCK2的開關(guān)頻率不同。由于輸出電壓設(shè)置不同，高邊開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間也不同。

圖3顯示的是輸入電流波形。 L1和L2的電流波形顯示的開關(guān)頻率相近。 由于輸出電壓不同，電感電流紋波也不同。 在輸入電流波形，兩個(gè)BUCK的工作頻率中疊加了一個(gè)低頻信號(hào)---BUCK1和BUCK2的差頻信號(hào)，范圍為40kHz。

在圖4所示的輸入電壓頻譜圖中，開關(guān)頻率占主導(dǎo)(2.25MHz)。 由于兩個(gè)BUCK的開關(guān)頻率僅差40 kHz，明顯小于50 kHz的分辨率帶寬，因此無法在此圖中分辨兩個(gè)BUCK的開關(guān)頻率。而不同BUCK的開關(guān)頻率的諧波頻率差高于分辨率帶寬，所以在此測(cè)量中清晰可見。 與較窄分辨率帶寬(RBW 50kHz)的測(cè)量相比，較寬分辨率帶寬(500kHz)的測(cè)量顯示較高的峰值。 這表明電壓紋波有變化，這在窄分辨率帶寬測(cè)量中無法捕獲。

方式二：使用外部時(shí)鐘進(jìn)行同步

第二種配置展示了使用外部時(shí)鐘同步BUCK的方法。時(shí)鐘信號(hào)直接連接到MODE / SYNC引腳。 在這種配置中，如果時(shí)鐘信號(hào)在允許范圍內(nèi)，則BUCK的開關(guān)頻率始終與外部時(shí)鐘同步，在輕載下也不會(huì)改變。這意味著輕載工作時(shí)的效率比沒有同步時(shí)更低。圖5顯示了此配置的簡(jiǎn)化示意圖。

圖6顯示了該配置下測(cè)得的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。該測(cè)量是在有限的帶寬下進(jìn)行的，所以開關(guān)邊沿比實(shí)際情況看起來要慢，這樣可以更好地顯示不同BUCK的工作頻率之間的關(guān)系。由于將觸發(fā)設(shè)置為BUCK1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，因此該開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的波形清晰可見。由于同步，BUCK2的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓也清晰可見。兩個(gè)BUCK以相同的頻率工作，并同時(shí)打開其高邊開關(guān)。 由于輸出電壓不同，高邊開關(guān)的導(dǎo)通的時(shí)間也不同。

圖7顯示了在這種配置下測(cè)得的電流波形。與前面的例子相比，兩個(gè)BUCK的電感電流波形基本一致。頻率被強(qiáng)制設(shè)為相同，這在輸入電流波形上也清晰可見。開關(guān)頻率占主導(dǎo)。這種設(shè)置方法可能會(huì)使強(qiáng)制使得兩個(gè)BUCK高邊開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，因此兩個(gè)BUCK會(huì)同時(shí)從輸入端汲取電流，這會(huì)導(dǎo)致輸入電流和輸入電壓的紋波變大。

在圖8所示的同步的輸入電壓頻譜中， 在基頻和諧波中沒有可見的不同頻率。寬分辨率帶寬測(cè)試和窄分辨率帶寬測(cè)試測(cè)得的峰值非常相似，因此使用這兩種測(cè)試可以正確捕獲紋波。

方式三：相移同步

第三種設(shè)置顯示了將BUCK與外部時(shí)鐘同步的更復(fù)雜的方法。 兩個(gè)BUCK都分別帶有相同頻率的時(shí)鐘信號(hào)。 這兩個(gè)分開的時(shí)鐘信號(hào)相差180°或者反相。 時(shí)鐘信號(hào)直接連到各自的MODE / SYNC引腳。 在這種配置下，BUCK始終以外部時(shí)鐘頻率決定的開關(guān)頻率工作，因此在輕載下沒有變化，這意味著輕載運(yùn)行時(shí)的效率比沒有同步時(shí)更低。 圖9為該配置的簡(jiǎn)化示意圖。

圖10顯示了該配置下測(cè)得的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。該測(cè)量是在有限的帶寬下進(jìn)行的，所以開關(guān)邊沿比實(shí)際情況看起來要慢，這樣可以更好地顯示不同BUCK的工作頻率之間的關(guān)系。由于將觸發(fā)設(shè)置為BUCK1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，因此該開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的波形清晰可見。由于同步，BUCK2的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓也清晰可見。兩個(gè)BUCK以相同的頻率工作， 由于BUCK2的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生180°相移，使得BUCK2與BUCK1相比，大概會(huì)延遲200 ns打開高邊開關(guān)。由于輸出電壓不同，高邊開關(guān)的導(dǎo)通的時(shí)間也不同。

圖11顯示了該配置下測(cè)得的電流波形。 電感電流紋波基本與前面例子一致。 由于同步，開關(guān)頻率相同。 與前面的例子相比，電感電流波形相移了180°，這使得輸入電流紋波變小。 由于BUCK1的高占空比和BUCK2的低占空比，開關(guān)頻率在輸入電流波形上仍然占主導(dǎo)地位。

在圖12所示的同步的輸入電壓頻譜中， 在基頻和諧波中沒有可見的不同頻率。 寬分辨率帶寬測(cè)試和窄分辨率帶寬測(cè)試測(cè)得的峰值非常相似，因此使用這兩種測(cè)試可以正確捕獲紋波。由于輸入電流紋波較低，因此輸入電壓紋波也較低。

方式四：使用另一個(gè)BUCK同步

第四種設(shè)置顯示了在不使用外部時(shí)鐘的情況下同步電源樹中BUCK的方法。 BUCK2直接從BUCK1獲得同步時(shí)鐘信號(hào)。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓是方波，可以用作時(shí)鐘信號(hào)。 TPS62810的同步以開關(guān)相位錯(cuò)開的方式設(shè)計(jì)。這意味著當(dāng)BUCK1的高邊開關(guān)（提供時(shí)鐘信號(hào)）關(guān)閉時(shí)，BUCK2的高邊開關(guān)導(dǎo)通。 BUCK1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓經(jīng)過簡(jiǎn)單的RC濾波后直接連接到BUCK2的MODE / SYNC引腳。如果BUCK1在輕載下運(yùn)行，它將降低開關(guān)頻率。 為避免這種情況，BUCK2的參考時(shí)鐘限定在指定的同步范圍之內(nèi)。 BUCK1必須始終保持足夠的負(fù)載電流，或者必須將MODE1連接至VIN1以強(qiáng)制PWM模式工作。 圖13顯示了此配置的簡(jiǎn)化示意圖。

圖14顯示了該配置下測(cè)得的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。該測(cè)量是在有限的帶寬下進(jìn)行的，所以開關(guān)邊沿比實(shí)際情況看起來要慢，這樣可以更好地顯示不同BUCK的工作頻率之間的關(guān)系。由于將觸發(fā)設(shè)置為BUCK1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，因此該開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的波形清晰可見。由于同步，BUCK2的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓也清晰可見。兩個(gè)BUCK以相同的頻率工作，BUCK2與BUCK1的同步使得BUCK2在BUCK1斷開高邊開關(guān)時(shí)接通高邊開關(guān)。由于輸出電壓不同，高邊開關(guān)的導(dǎo)通的時(shí)間也不同。

圖15顯示了電流波形。 電感電流波形顯示同步。由于BUCK2的高邊開關(guān)的接通與BUCK1的高邊開關(guān)的關(guān)斷同步，因此從輸入端汲取的峰值電流被最小化，從而使得輸入電流紋波最低。

在圖16所示的同步的輸入電壓頻譜中， 在基頻和諧波中沒有可見的不同頻率。寬分辨率帶寬測(cè)試和窄分辨率帶寬測(cè)試測(cè)得的峰值非常相似，因此使用這兩種測(cè)試可以正確捕獲紋波。在這種配置下，輸入電流紋波最低，因此開關(guān)頻率下的峰值也最低。使用另一個(gè)BUCK同步的配置會(huì)在開關(guān)頻率的兩倍處產(chǎn)生稍高的電流紋波，因此二次諧波的峰值有所增加。

方式五：在展頻模式下工作

第五種配置跟第一種類似。 它僅使用帶有展頻功能的TPS62810版本。這意味著兩個(gè)BUCK的開關(guān)頻率都有很大的變化，并且頻率的差異也會(huì)變化。 兩個(gè)BUCK都像第一種配置中那樣自由運(yùn)行。 在輕載下，MODE / SYNC設(shè)置允許BUCK降低開關(guān)頻率，以維持高效率。 圖17顯示了該配置的簡(jiǎn)化示意圖。

圖18顯示了該配置下測(cè)得的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。該測(cè)量是在有限的帶寬下進(jìn)行的，所以開關(guān)邊沿比實(shí)際情況看起來要慢，這樣可以更好地顯示不同BUCK的工作頻率之間的關(guān)系。由于將觸發(fā)設(shè)置為BUCK1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，與第一種配置相比，由于開啟了展頻模式，該開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的波形變得模糊，開關(guān)節(jié)點(diǎn)2的波形也變得模糊。 它的頻率與BUCK1的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的頻率不同，并且由于展頻也在變化。由于輸出電壓不同，高邊開關(guān)的導(dǎo)通的時(shí)間也不同。

圖19中顯示的電流波形與前面的沒有同步配置的相似。主要差別在于輸入電流波形，沒有差頻信號(hào)，但峰值電流的大小相似。

盡管兩個(gè)BUCK都在圖20所示的輸入電壓頻譜中以展頻模式工作，但開關(guān)頻率仍然占主導(dǎo)地位，開關(guān)頻率的差異無法區(qū)分。 與窄分辨率帶寬測(cè)量相比，寬分辨率帶寬測(cè)量顯示出較高的峰值。 這表明在窄帶寬測(cè)量中無法正確捕獲輸入電壓中變化的紋波。

非同步、使用恒定頻率或展頻模式的配置明顯是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)BUCK在同一電源樹種工作的最簡(jiǎn)單方式，而且由于在省電模式下可以使能自動(dòng)轉(zhuǎn)換，因而在輕載情況下可以達(dá)到更高的效率。當(dāng)使用恒定頻率配置時(shí)，要避免產(chǎn)生在可聽范圍內(nèi)的差頻信號(hào)，標(biāo)稱頻率可以設(shè)置得更寬，以確保差頻始終高于可聽范圍。任何方式下的同步都可以降低輸入電流和電壓紋波，或者至少將其控制在定義的頻率內(nèi)。這可以減少過濾噪聲的工作量，這甚至可以減小BUCK輸入電容。較為簡(jiǎn)單的方法是使用一個(gè)BUCK作為參考時(shí)鐘。根據(jù)輸入和輸出電壓比，開關(guān)波形可以直接用作另一個(gè)BUCK的參考時(shí)鐘。為保證穩(wěn)定性，提供時(shí)鐘信號(hào)的BUCK應(yīng)在強(qiáng)制PWM下工作，避免在省電模式下由低頻操作引發(fā)中斷。

助力于T-BOX的TPS6281x-Q1

前面闡述了TPS6281x可以通過多種方式減少開關(guān)噪聲提高效率，TPS6281x-Q1 也一樣，并且它符合汽車應(yīng)用的AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單易用，輸出電流為1A/2A/3A/4A的版本引腳封裝兼容，在PWM/PFM模式下，輕載情況下可自動(dòng)進(jìn)入省電模式，其他特點(diǎn)列舉如下：

有不同的版本可滿足不同的電流輸入需求：1A/2A/3A/4A 引腳封裝兼容。

無需太多外部組件，解決方案總體的尺寸很小，總體成本較低。

開關(guān)頻率可調(diào)，通常默認(rèn)為2.25MHz。

允許較寬范圍的輸出電容取值，滿足FPGAs或MCUs的輸入要求。

電壓輸出精度為±1%（PWM 運(yùn)行）。

On-time 最小為50ns，允許直接將5V轉(zhuǎn)5V成1V (f = 2MHz) 。

通過時(shí)鐘展頻可優(yōu)化EMI。

TPS6281x-Q1是性能優(yōu)異的產(chǎn)品，如需要兼顧價(jià)格因素，也有其他性價(jià)比產(chǎn)品供推薦，列舉如下表1所示：

表- 1

審核編輯：金巧