通常情況下，部署在當今嵌入式電信，服務器和存儲應用中的主板包含十幾種不同的負載點（POL）穩(wěn)壓器，可提供低于1 A至約30 A的輸出電流。這些降壓型同步POL穩(wěn)壓器通常將中間總線電壓降低到負載IC所需的電源電壓。

由于市場對小尺寸，低成本，快速瞬態(tài)性能和電源排序的要求，這些降壓型POL穩(wěn)壓器采用同步整流和電壓模式控制技術在高頻下工作。雖然這種方案具有高效率和高功率密度，但它們也會導致高抖動和噪聲，這在競爭激烈的新一代系統(tǒng)中是不可接受的。

對于設計人員來說，好消息是像國際整流器公司這樣的功率半導體供應商已經(jīng)通過開發(fā)新的脈沖寬度調(diào)制器（PWM）方案解決了這些問題，該方案使用新穎的電壓在高頻率和窄占空比下實現(xiàn)無抖動操作 - 模式控制器。它已在制造商的同步降壓穩(wěn)壓器IR3899中實現(xiàn)，該穩(wěn)壓器還包含內(nèi)置功能，可在實現(xiàn)POL設計時提供更高的靈活性。

電壓模式控制器

用于同步降壓穩(wěn)壓器的典型電壓模式控制方案如圖1所示。如圖所示，該方案中的誤差放大器通常接收輸出電壓的樣本并將其與精確的參考電壓，在誤差放大器的輸出端產(chǎn)生誤差電壓（VERROR）。然后將該輸出饋送到高速PWM比較器，該比較器還接收斜坡信號（VRAMP）。接下來，PWM比較器的輸出被饋送到鎖存器的復位輸入，類似于S-R觸發(fā)器，其另一輸入組由內(nèi)部產(chǎn)生的周期時鐘信號驅(qū)動。該周期時鐘以固定頻率產(chǎn)生，通?？赏ㄟ^外部電阻或電容用戶編程。

圖1：傳統(tǒng)的電壓模式脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器。因此，當輸出電壓由于輸入電壓，負載，溫度或任何其他此類變量的變化而改變時，VERROR信號的幅度改變。結果，它改變了PWM比較器閾值和PWM比較器輸出的脈沖寬度。通過調(diào)整脈沖寬度（占空比），輸出電壓可以保持恒定，以適應輸入電壓，溫度，負載等的任何變化。控制FET和同步FET（Sync.Fet）由來自其驅(qū)動器部分的HDrv和LDrv脈沖驅(qū)動。

正如國際整流器公司的Suresh Kariyadan和Parviz Parto所標題為“電壓模式控制方案在高頻下提高降壓轉(zhuǎn)換器性能”的設計特性所述，1在傳統(tǒng)電壓的PWM信號上升沿開始斜坡 - 模式控制器，并將VERROR信號與低電壓電平相交，低電壓電平通常是斜坡的非線性區(qū)域，用于窄占空比操作。 Kariyadan和Parto解釋說這個非線性區(qū)域會產(chǎn)生更多的抖動。然后，作者將傳統(tǒng)的電壓控制與IR工程師開發(fā)的新控制方案進行了比較。如圖2所示，斜坡比設定信號的下降沿更早開始，從而在更線性的區(qū)域中與VERROR信號相交。通過這種方式，它產(chǎn)生最小量的抖動。根據(jù)IR，如果復位信號在設定信號下降之前上升，新的電壓模式方案甚至可以產(chǎn)生零占空比。

圖2：比較所提出的電壓模式控制方案與傳統(tǒng)電壓模式控制器的理論波形。

如前所述，專利新方案已在制造商的電壓模式穩(wěn)壓器IC IR3899中實施。為了將傳統(tǒng)電壓模式控制的抖動性能與新方法進行比較，IR工程師為兩種方案生成了實驗開關節(jié)點波形，開關頻率為600 kHz，脈沖寬度較窄。測得的開關波形表明，對于12 V輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器，在9 A負載下使用傳統(tǒng)的電壓模式控制，在600 kHz開關頻率下輸出1.0 V，抖動性能為17.6 ns（圖3）。使用類似的輸入輸出比和600 kHz頻率的負載，新方案的抖動性能提高到3.3 ns，如圖4所示。

圖3：測量開關波形，對于12 V輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器，在9 A負載下使用傳統(tǒng)電壓模式控制，在600 A開關頻率下具有1.0 V輸出，表明抖動為17.6 ns。

圖4：對于12 V輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器采用新的電壓模式控制方案，在9 A負載和600 kHz開關頻率下具有1.0 V輸出，抖動減少了3.3 ns。

工程師觀察到，采用高降壓比和更高的開關頻率，新方案的抖動性能會更好，而傳統(tǒng)方法則會惡化。例如，IR工程師為具有16 V輸入和1.0 V輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換器生成類似的開關節(jié)點波形，用于600 A開關頻率的9 A負載。據(jù)觀察，傳統(tǒng)方法的抖動性能惡化到32 ns，而采用新方案時，抖動性能提高到1.3 ns。

更多功能

新的電壓模式PWM控制方案提供了更多功能，而不僅僅是提高抖動性能。根據(jù)IR技術文章，1新的調(diào)制器方案保證了輸出電壓的單調(diào)啟動，并改善了瞬態(tài)響應。此外，由于新方案能夠產(chǎn)生接近零的非常窄的脈沖寬度，因此確保了干凈的啟動。由于復位信號可以在設置信號下降之前上升，因此可以在斜坡信號中沒有任何DC偏移的情況下產(chǎn)生零占空比。實際上，在新方案中測量的DC偏移僅為150 mV，并且可以在更高的閉環(huán)帶寬下運行。因此，在啟動期間，根據(jù)IR的設計特性，VERROR信號可以更早地接管占空比控制。

關于改進的瞬態(tài)響應，IR工程師指出，通過在更高的開關頻率和更高的閉環(huán)帶寬下工作，可以實現(xiàn)瞬態(tài)響應的改善。本文討論了開關頻率和帶寬對瞬態(tài)性能和電容器要求的影響，基于對原型降壓轉(zhuǎn)換器的測量，該轉(zhuǎn)換器在1 MHz開關頻率下工作在VIN = 12 V和VOUT = 1 V時。使用的電感是0.33μH表面貼裝器件（Vishay IHLP2525CZER），使用的輸出電容是TDK22μF，X5R，6.3 V，0805陶瓷型（C2012X5R0J226M）。

新型電壓模式控制方法提供的另一個特性是前饋功能，可確保穩(wěn)定工作，同時在較大的輸入電壓變化范圍內(nèi)保持負載瞬態(tài)性能。圖5顯示PWM斜坡幅度信號（VRAMP）相對于輸入電壓成比例變化，以保持VIN/VRAMP的恒定比率。它使調(diào)制器增益保持恒定，以保持輸入電壓變化，并保持控制環(huán)路帶寬和相位裕度恒定。此外，IR設計人員還表明，前饋功能還可以最大限度地降低輸出電壓偏差，從而實現(xiàn)快速的輸入電壓變化。

圖5：前饋功能可確保PWM斜坡幅度信號（VRAMP）相對于輸入電壓成比例變化，以保持VIN的恒定比率/VRAMP。

總之，采用新穎的電壓模式PWM控制方案，同步降壓穩(wěn)壓器IR3899可顯著提高高頻時的抖動性能。此外，它還保證了輸出電壓的單調(diào)啟動，并改善了瞬態(tài)響應。同時，前饋功能可確保穩(wěn)定運行，同時在較大的輸入電壓變化范圍內(nèi)保持負載瞬態(tài)性能。