在汽车应用中,如果说宽输入降压电源对应的是12v/24v转5v(3.8v…)的一级电源(主电源);那窄输入降压电源对应的则是5v(3.8v…)转3.3v(1.8v…)的二级电源。
本节内容,我将会探讨在电源树中使用两个buck作为二级电源时,采用哪种方式可以减少开关噪声并实现更高的效率,此外还将介绍ti在二级电源应用中的明星产品---高性能的tps6281x-q1以及高性价比的其他产品。
电源树中buck的同步方式
在汽车应用中可能会用到不同的电源电压为不同功能模块供电。例如,有些mcu至少有两个电源轨,分别为i / o口以及内核供电。这些电压通常由ldo或buck产生。如果用多个buck产生不同的电源轨,需要考虑如何最大程度地降低系统网络中的开关噪声。通常可以在buck的输入端加入合适的去耦电容以降低噪声。然而不同buck有不同开关频率,这给系统设计带来挑战。这里列举了两个buck产生两种输出电压的电源树的五种不同配置方法。在这五种配置中,所使用的电感、输入输出电容、rcf以及工作频率(2.25mhz)基本一致,在控制变量的情况下讨论了电流和电压的测量数据。后面阐述到的例子均是使用了两颗tps62810。其输入电压为5v,输出电压分别为3.3v和1.8v,输出负载均为2a。tps62810支持多种方式配置开关频率,如通过设置comp / fset引脚和gnd之间的阻值,或者通过改变mode / sync引脚的输入信号。
方式一:非同步
第一种配置方法是buck最常用的方法。将 mode / sync引脚连接到gnd,这是tps62810最灵活的操作模式。在重载下,buck以连接到comp / fset引脚的电阻决定的开关频率工作。 在这个例子中rcf1和rcf2具有相同的值,因而两个buck被设置为相同的开关频率。 在轻载下,可以通过设置mode / sync引脚以降低开关频率,从而提高效率。 图1为该配置的简化示意图。
图2显示了该配置下测得的开关节点电压。该 测量是在有限的带宽下进行的,所以开关边沿比实际情况看起来要慢,这样可以更好地显示不同buck的工作频率之间的关系。 由于触发设置为buck 1的开关节点电压,因此该开关节点电压的波形清晰可见,而开关节点2的波形较为模糊,但可以明显看出buck 1和buck2的开关频率不同。由于输出电压设置不同,高边开关的导通时间也不同。
图3显示的是输入电流波形。 l1和l2的电流波形显示的开关频率相近。 由于输出电压不同,电感电流纹波也不同。 在输入电流波形,两个buck的工作频率中叠加了一个低频信号---buck1和buck2的差频信号,范围为40khz。
在图4所示的输入电压频谱图中,开关频率占主导(2.25mhz)。 由于两个buck的开关频率仅差40 khz,明显小于50 khz的分辨率带宽,因此无法在此图中分辨两个buck的开关频率。而不同buck的开关频率的谐波频率差高于分辨率带宽,所以在此测量中清晰可见。 与较窄分辨率带宽(rbw 50khz)的测量相比,较宽分辨率带宽(500khz)的测量显示较高的峰值。 这表明电压纹波有变化,这在窄分辨率带宽测量中无法捕获。
图- 1简化示意图---非同步 图- 4 输入电压频谱---非同步
图- 2 开关节点电压---非同步 图- 3电流波形---非同步
方式二:使用外部时钟进行同步
第二种配置展示了使用外部时钟同步buck的方法。时钟信号直接连接到mode / sync引脚。 在这种配置中,如果时钟信号在允许范围内,则buck的开关频率始终与外部时钟同步,在轻载下也不会改变。这意味着轻载工作时的效率比没有同步时更低。图5显示了此配置的简化示意图。
图6显示了该配置下测得的开关节点电压。该测量是在有限的带宽下进行的,所以开关边沿比实际情况看起来要慢,这样可以更好地显示不同buck的工作频率之间的关系。由于将触发设置为buck1的开关节点电压,因此该开关节点电压的波形清晰可见。由于同步,buck2的开关节点电压也清晰可见。两个buck以相同的频率工作,并同时打开其高边开关。 由于输出电压不同,高边开关的导通的时间也不同。
图7显示了在这种配置下测得的电流波形。与前面的例子相比,两个buck的电感电流波形基本一致。频率被强制设为相同,这在输入电流波形上也清晰可见。开关频率占主导。这种设置方法可能会使强制使得两个buck高边开关同时导通,因此两个buck会同时从输入端汲取电流,这会导致输入电流和输入电压的纹波变大。
在图8所示的同步的输入电压频谱中, 在基频和谐波中没有可见的不同频率。宽分辨率带宽测试和窄分辨率带宽测试测得的峰值非常相似,因此使用这两种测试可以正确捕获纹波。
图- 5简化示意图---使用外部时钟同步 图- 8输入电压频谱---使用外部时钟同步
图- 6 开关节点电压---使用外部时钟同步 图- 7电流波形---使用外部时钟同步
方式三:相移同步
第三种设置显示了将buck与外部时钟同步的更复杂的方法。 两个buck都分别带有相同频率的时钟信号。 这两个分开的时钟信号相差180°或者反相。 时钟信号直接连到各自的mode / sync引脚。 在这种配置下,buck始终以外部时钟频率决定的开关频率工作,因此在轻载下没有变化,这意味着轻载运行时的效率比没有同步时更低。 图9为该配置的简化示意图。
图10显示了该配置下测得的开关节点电压。该测量是在有限的带宽下进行的,所以开关边沿比实际情况看起来要慢,这样可以更好地显示不同buck的工作频率之间的关系。由于将触发设置为buck1的开关节点电压,因此该开关节点电压的波形清晰可见。由于同步,buck2的开关节点电压也清晰可见。两个buck以相同的频率工作, 由于buck2的时钟信号发生180°相移,使得buck2与buck1相比,大概会延迟200 ns打开高边开关。由于输出电压不同,高边开关的导通的时间也不同。
图11显示了该配置下测得的电流波形。 电感电流纹波基本与前面例子一致。 由于同步,开关频率相同。 与前面的例子相比,电感电流波形相移了180°,这使得输入电流纹波变小。 由于buck1的高占空比和buck2的低占空比,开关频率在输入电流波形上仍然占主导地位。
在图12所示的同步的输入电压频谱中, 在基频和谐波中没有可见的不同频率。 宽分辨率带宽测试和窄分辨率带宽测试测得的峰值非常相似,因此使用这两种测试可以正确捕获纹波。由于输入电流纹波较低,因此输入电压纹波也较低。
图- 9简化示意图---相移同步 图- 12输入电压频谱---相移同步
图- 10开关节点电压---相移同步 图- 11电流波形---相移同步
方式四:使用另一个buck同步
第四种设置显示了在不使用外部时钟的情况下同步电源树中buck的方法。 buck2直接从buck1获得同步时钟信号。开关节点电压是方波,可以用作时钟信号。 tps62810的同步以开关相位错开的方式设计。这意味着当buck1的高边开关(提供时钟信号)关闭时,buck2的高边开关导通。 buck1的开关节点电压经过简单的rc滤波后直接连接到buck2的mode / sync引脚。如果buck1在轻载下运行,它将降低开关频率。 为避免这种情况,buck2的参考时钟限定在指定的同步范围之内。 buck1必须始终保持足够的负载电流,或者必须将mode1连接至vin1以强制pwm模式工作。 图13显示了此配置的简化示意图。
图14显示了该配置下测得的开关节点电压。该测量是在有限的带宽下进行的,所以开关边沿比实际情况看起来要慢,这样可以更好地显示不同buck的工作频率之间的关系。由于将触发设置为buck1的开关节点电压,因此该开关节点电压的波形清晰可见。由于同步,buck2的开关节点电压也清晰可见。两个buck以相同的频率工作,buck2与buck1的同步使得buck2在buck1断开高边开关时接通高边开关。由于输出电压不同,高边开关的导通的时间也不同。
图15显示了电流波形。 电感电流波形显示同步。由于buck2的高边开关的接通与buck1的高边开关的关断同步,因此从输入端汲取的峰值电流被最小化,从而使得输入电流纹波最低。
在图16所示的同步的输入电压频谱中, 在基频和谐波中没有可见的不同频率。宽分辨率带宽测试和窄分辨率带宽测试测得的峰值非常相似,因此使用这两种测试可以正确捕获纹波。在这种配置下,输入电流纹波最低,因此开关频率下的峰值也最低。使用另一个buck同步的配置会在开关频率的两倍处产生稍高的电流纹波,因此二次谐波的峰值有所增加。
图- 13简化示意图---使用另一个buck同步 图- 16输入电压频谱---使用另一个buck同步
图- 14开关节点电压---使用另一个buck同步 图- 15电流波形---使用另一个buck同步
方式五:在展频模式下工作
第五种配置跟第一种类似。 它仅使用带有展频功能的tps62810版本。这意味着两个buck的开关频率都有很大的变化,并且频率的差异也会变化。 两个buck都像第一种配置中那样自由运行。 在轻载下,mode / sync设置允许buck降低开关频率,以维持高效率。 图17显示了该配置的简化示意图。
图18显示了该配置下测得的开关节点电压。该测量是在有限的带宽下进行的,所以开关边沿比实际情况看起来要慢,这样可以更好地显示不同buck的工作频率之间的关系。由于将触发设置为buck1的开关节点电压,与第一种配置相比,由于开启了展频模式,该开关节点电压的波形变得模糊,开关节点2的波形也变得模糊。 它的频率与buck1的开关节点电压的频率不同,并且由于展频也在变化。由于输出电压不同,高边开关的导通的时间也不同。
图19中显示的电流波形与前面的没有同步配置的相似。主要差别在于输入电流波形,没有差频信号,但峰值电流的大小相似。
尽管两个buck都在图20所示的输入电压频谱中以展频模式工作,但开关频率仍然占主导地位,开关频率的差异无法区分。 与窄分辨率带宽测量相比,宽分辨率带宽测量显示出较高的峰值。 这表明在窄带宽测量中无法正确捕获输入电压中变化的纹波。
图- 17 简化示意图---在展频模式下工作 图-20输入电压频谱---在展频模式下工作
图- 18电流波形---在展频模式下工作 图- 19 电流波形---在展频模式下工作
非同步、使用恒定频率或展频模式的配置明显是实现两个buck在同一电源树种工作的最简单方式,而且由于在省电模式下可以使能自动转换,因而在轻载情况下可以达到更高的效率。当使用恒定频率配置时,要避免产生在可听范围内的差频信号,标称频率可以设置得更宽,以确保差频始终高于可听范围。任何方式下的同步都可以降低输入电流和电压纹波,或者至少将其控制在定义的频率内。这可以减少过滤噪声的工作量,这甚至可以减小buck输入电容。较为简单的方法是使用一个buck作为参考时钟。根据输入和输出电压比,开关波形可以直接用作另一个buck的参考时钟。为保证稳定性,提供时钟信号的buck应在强制pwm下工作,避免在省电模式下由低频操作引发中断。
助力于t-box的tps6281x-q1
前面阐述了tps6281x可以通过多种方式减少开关噪声提高效率,tps6281x-q1 也一样,并且它符合汽车应用的aec-q100标准,简单易用,输出电流为1a/2a/3a/4a的版本引脚封装兼容,在pwm/pfm模式下,轻载情况下可自动进入省电模式,其他特点列举如下:
有不同的版本可满足不同的电流输入需求:1a/2a/3a/4a 引脚封装兼容。
无需太多外部组件,解决方案总体的尺寸很小,总体成本较低。
开关频率可调,通常默认为2.25mhz。
允许较宽范围的输出电容取值,满足fpgas或mcus的输入要求。
电压输出精度为±1%(pwm 运行)。
on-time 最小为50ns,允许直接将5v转5v成1v (f = 2mhz) 。
通过时钟展频可优化emi。
tps6281x-q1是性能优异的产品,如需要兼顾价格因素,也有其他性价比产品供推荐,列举如下表1所示:
1a 2a 3a 4a
高性能 tps62811-q1 tps62812-q1 tps62813-q1 tps62810-q1
高性价比 tps62290-q1 tps62065/67-q1 tps62090-q1
表- 1
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