【导读】现代高机能处置惩罚器及SoC芯片集成度的晋升，对于其供电质量提出了史无前例的严苛要求。为确保高速串行通讯接口及周详模仿前真个旌旗灯号完备性，负载点电源需要将输出电压纹波节制于2mV如下，这一指标仅为通例设计的十分之一。面临这一挑战，传统的线性稳压器已经没法满意年夜电流运用需求，而采用更高开关频率并联合分外输出电容的二级滤波器方案，则能有用冲破这一技能瓶颈。差别的节制架构为实现超低纹波输出提供了多样化的技能路径，每一种要领都于不变性及机能体现上揭示出怪异上风。

本期，为各人带来的是《利用第二级滤波器来削减电压纹波》，将对于比三种节制架构于不异输出电压纹波下的体现，并提供了利用不异电气规格的测试数据以和输出电压纹波、解决方案尺寸、负载瞬态及效率的比力成果。

弁言

现代高机能处置惩罚器及SoC芯片集成度的晋升，对于其供电质量提出了史无前例的严苛要求。为确保高速串行通讯接口及周详模仿前真个旌旗灯号完备性，负载点电源需要将输出电压纹波节制于2mV如下，这一指标仅为通例设计的十分之一。面临这一挑战，传统的线性稳压器已经没法满意年夜电流运用需求，而采用更高开关频率并联合分外输出电容的二级滤波器方案，则能有用冲破这一技能瓶颈。差别的节制架构为实现超低纹波输出提供了多样化的技能路径，每一种要领都于不变性及机能体现上揭示出怪异上风。

本文比力了实现 1mV 输出电压纹波的三种差别节制架构：外部赔偿电压模式、恒定导通时间及可选赔偿电流模式，并提供了利用不异电气规格的测试数据以和输出电压纹波、解决方案尺寸、负载瞬态及效率的比力成果。

选择并约束运用步伐

设计并构建了三种差别电源，以展示于近似事情前提下每一种节制模式的机能。对于在每一种设计，输入电压为 12V，输出电压为 1V，而且每一个器件的输出电流可以或许到达 15A。这些是为高机能 SoC 供电的典型要求，高机能 SoC 集成为了敏感的模仿电路，需要低输出电压纹波。

为了约束滤波器设计及机能预期，答应的纹波电压为输出电压的 ±0.15% 或者 ±1.5mV (3mVpp)。咱们采用三个 TI 直流/直流转换器举行比力：15A D-CAP3™ 降压转换器(TPS548A28)、 20A 内部赔偿高级电流模式 (ACM) 降压转换器 (TPS543B22) 及 15A 电压模式降压换器(TPS56121)。咱们于转换器撑持近似第二级滤波器元件的能力规模内，选择了尽可能相互靠近的输出电压、输出电流及事情频率。

设计第二级滤波器

纵然利用低等效串联电阻 (ESR) 陶瓷输出电容器，经由过程降压转换器的电感器及电容器 (LC) 输出滤波器来实现低输出电压纹波也是不切现实的。要实现低在 5mV 的输出纹波，设计职员可能需要利用第二级 LC 滤波器。有关第二级滤波器设计或者纹波丈量技能的更多信息，请参阅资源部门。可以使用方程式 1 并求解 L2 来计较第二级滤波器的电感器值。电感器 L2 是第二级电感器，C1 是降压转换器的低级输出电容器，C2 是第二级电容器收集。所有三种设计都利用了不异的第二级滤波器（如表 1 所示），占用了 92妹妹2 的电路板面积（如图 1 所示）：

表 1. 转换器节制架谈判第二级滤波器

图 1. 第二级滤波器的电路板面积为 92妹妹2

选择第二级电感器值 (L2) 并组装元件后，下一步是经由过程增长第二级电感及电容来从头赔偿直流/直流转换器的节制环路，以确保不变性。必需指出的是，每一个节制架构都有本身怪异的技能，可于添加第二级滤波器后从头赔偿节制环路（如需）。咱们对于每一个节制架构的输出电压纹波、效率丧失及不变性举行了评估并汇总出成果。

电压模式节制架构

经由过程将输出电压及基准电压的电压偏差旌旗灯号与恒定锯齿-斜坡波形举行比力，可实现具备电压模式节制架构的脉宽调制 (PWM)。斜坡由振荡器发出的时钟旌旗灯号启动。TPS56121 采用外部赔偿 3 类赔偿来寻址双极功率级，从而答应于添加第二级滤波器后对于转换器举行从头赔偿。于添加第二级滤波器后调解外部电阻器及电容器值可确保不变性。于没有分外滤波器的环境下，输出电压峰峰值纹波为 4.8mV。运用分外滤波器后，输出电压纹波为 1.9mV（如图 2 所示）。于这类环境下，TPS56121 设计无需调治环路赔偿便可确保不变性。图 3 显示了具备 10A 负载阶跃的负载瞬态波形，而且实行第二级滤波器后的输出电压波形没有不不变的迹象。

图 2. 具备及不具备分外第二级滤波器的 TPS56121 输出电压纹波

图 3. 利用电压模式节制的 TPS56121 的瞬态相应

D-CAP3节制架构

D-CAP3 利用一次性计时器天生与输入电压及输出电压成正比的导通时间脉冲。当降落反馈电压等在基准电压时，将天生新的 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旌旗灯号直接馈入比力器，消弭了其掉调电压，从而削减了对于电容器 ESR 输出电压纹波的需求。D-CAP3 及其他恒定导通时间转换器的上风之一是无需分外的环路赔偿电路。可是，假如器件撑持此功效，而且于输出电压反馈电阻分压器收集中添加了前馈电容，则节制环路的功效可经由过程可调斜坡举行调解。于没有分外滤波器的环境下，TPS548A28 输出电压峰峰值纹波为 7.6mV。运用分外滤波器后，输出电压纹波为 2.3mV（如图 4 所示）。于此环境下，TPS548A28 设计无需举行调解便可确保不变性。图 5 显示了与以前的转换用具有不异 10A 负载阶跃的负载瞬态波形，而且实行第二级滤波器后的输出电压波形没有不不变的迹象。

图 4. 具备及不具备分外第二级滤波器的 TPS548A28 输出电压纹波

图 5. 利用 D-CAP3 节制的 TPS548A28 的瞬态相应

高级电流模式(ACM)节制架构

内部赔偿 ACM 是基在纹波的峰值电流模式节制方案，它利用内部天生的斜坡来暗示电感器电流。这类节制模式可于非线性节制模式（如 D-CAP3）的更快瞬态相应速率与其他外部赔偿固定频率节制架构（如电压模式节制）的广泛电容器不变性之间实现均衡。ACM 是一种较新的节制架构，它答应利用单个电阻器（而非电阻器及电容器收集）对于环路举行赔偿。TPS543B22 具备三个可选 PWM 斜坡选项，可于实行第二级滤波器时优化节制环路机能。有趣的是，咱们留意到它的评估模块于电路板上具备电容器及电感器焊盘，可利便地容纳第二级滤波器元件。于没有分外滤波器的环境下，TPS543B22 输出电压峰峰值纹波为 7.4mV。运用分外滤波器后，输出电压纹波为 1.3mV（如图 6 所示）。TPS543B22 设计无需调解斜坡便可确保不变性。图 7 显示了与以前的转换用具有不异 10A 负载阶跃的负载瞬态波形，而且实行第二级滤波器后的输出电压波形没有不不变的迹象。

图 6. 具备及不具备分外第二级滤波器的 TPS543B22 输出电压纹波

图 7. 利用 ACM 节制的 TPS543B22 的瞬态相应

效率丧失

于具备及不具备分外第二级滤波器的环境下丈量了每一个直流/直流转换器的满载效率以比力功率损耗。表 2 所示为相干成果。第二级滤波器的功率损耗及效率丧失可纰漏不计。之以是丈量效率及功率损耗差异，是由于每一个直流/直流转换器都具备怪异的功率 MOSFET，这会致使效率结论禁绝确。效率丧失及分外所需的 92妹妹2 布板空间是否值患上改善输出电压纹波，这由设计职员决议。

设计职员之前利用分外的低压降 (LDO) 稳压器对于直流/直流转换器的输出电压举行后置稳压，并实现低输出电压纹波。假如设计职员更喜欢利用 LDO 而不是第二级滤波器，则可以并联 4A TPS7A54 来提供高达 8A 的电流。例如，假如 LDO 的压降为 175mV，则两个 LDO 于 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，但若第二级滤波器为 SoC 及 AFE 提供可接管的低输出电压纹波，则长处是尺寸更小、功率损耗更低且元件成本更低。

表 2. 效率及功率损耗比力

结语

第二级滤波器是一种简朴、小巧、高效且低成本的解决方案，可为高电流负载设计提供低输出电压纹波。没有合用在每一种设计环境的完善节制模式，但可以于很多降压转换器节制架构中实行第二级滤波器。假如您利用收集接口卡 SoC 或者是利用 AFE 的长途无线电单位举行设计，则第二级滤波器可提供比尺度降压转换器低患上多的纹波。表 3 总结了与每一个器件相干的纹波以和效率及尺寸衡量。

表 3. 纹波、尺寸及效率衡量

本文来历在德州仪器《模仿设计期刊》。《模仿设计期刊》由德州仪器工程师及专家精心撰写并汇编，笼罩从基础常识到进步前辈技能、从数据转换器到传感器运用的广泛主题，为模仿设计新手及资深用户提供实用信息及解决方案。

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