【導(dǎo)讀】現(xiàn)代高性能處理器和片上系統(tǒng)（SoC）通常集成精密的模擬前端和串行通信接口，對供電電源的質(zhì)量提出極高要求。為確保信號完整性和系統(tǒng)性能，負(fù)載點(diǎn)電源的輸出電壓紋波常需低于2mV，這僅為常規(guī)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的十分之一。
為滿足高端處理器與SoC芯片對電源紋波的嚴(yán)苛要求，二級濾波器成為一種高效而緊湊的解決方案，可將輸出電壓紋波抑制到2mV以下。
現(xiàn)代高性能處理器和片上系統(tǒng)（SoC）通常集成精密的模擬前端和串行通信接口，對供電電源的質(zhì)量提出極高要求。為確保信號完整性和系統(tǒng)性能，負(fù)載點(diǎn)電源的輸出電壓紋波常需低于2mV，這僅為常規(guī)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的十分之一。
為在保持高效率的前提下滿足這一嚴(yán)苛要求，電源設(shè)計(jì)人員需要在同步降壓轉(zhuǎn)換器后添加第二級LC濾波器。本文基于TI公司的三款不同控制架構(gòu)的降壓轉(zhuǎn)換器，對比分析其在添加相同規(guī)格二級濾波器后的性能表現(xiàn)。
一、紋波挑戰(zhàn)與解決方案
處理器技術(shù)快速發(fā)展對電源設(shè)計(jì)帶來巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)前許多先進(jìn)SoC芯片要求電源電壓紋波低于1.5mV（峰峰值），而傳統(tǒng)同步降壓轉(zhuǎn)換器即使采用低ESR陶瓷電容，其輸出紋波通常在5-10mV范圍內(nèi)。
二級濾波器架構(gòu)通過在初級LC濾波器后增加第二級電感和電容，形成兩級濾波網(wǎng)絡(luò)，可顯著衰減開關(guān)頻率噪聲。這種方法的效率遠(yuǎn)高于線性穩(wěn)壓器方案，尤其在大電流應(yīng)用中優(yōu)勢明顯。
測試平臺(tái)采用12V輸入、1V輸出、15A負(fù)載的典型應(yīng)用場景，使用三種不同控制架構(gòu)的降壓轉(zhuǎn)換器：TPS548A28（D-CAP3架構(gòu)）、TPS543B22（高級電流模式架構(gòu)）和TPS56121（電壓模式架構(gòu)）。
二、二級濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)
濾波器設(shè)計(jì)需要平衡性能與穩(wěn)定性。所有測試均采用相同的二級濾波器元件參數(shù)：二級電感L2選用0.47μH，二級電容C2為2×220μF陶瓷電容，占用PCB面積僅為92mm2。
濾波器傳遞函數(shù)引入的雙極點(diǎn)需要相應(yīng)補(bǔ)償控制環(huán)路，不同控制架構(gòu)需采用不同的補(bǔ)償策略。通過方程式L2 = (Vout×(1-Vout/Vin))/(ΔI×fsw)可計(jì)算二級電感值，其中ΔI為 inductor current ripple，fsw為開關(guān)頻率。
測試中，三種轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率均設(shè)置在500-600kHz范圍內(nèi)，以確保比較的公平性。二級濾波器的插入導(dǎo)致效率損失極小，但紋波抑制效果顯著。
三、電壓模式控制架構(gòu)表現(xiàn)
電壓模式控制采用外部補(bǔ)償機(jī)制。TPS56121作為電壓模式控制代表，使用外部3類補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來處理功率級的雙極點(diǎn)特性。
未加二級濾波器時(shí)，其輸出紋波為4.8mV峰峰值；添加后紋波降低至1.9mV，降幅達(dá)60%。負(fù)載瞬態(tài)測試顯示，在10A階躍負(fù)載下，輸出電壓恢復(fù)穩(wěn)定，無振鈴現(xiàn)象。
電壓模式架構(gòu)的優(yōu)勢在于可通過調(diào)整外部補(bǔ)償元件靈活應(yīng)對二級濾波器引入的相移，但需要更多的外部元件和更復(fù)雜的環(huán)路設(shè)計(jì)。
四、D-CAP3控制架構(gòu)性能分析
D-CAP3架構(gòu)采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制。TPS548A28作為此類代表，利用一次性計(jì)時(shí)器生成與輸入輸出電壓成比例的導(dǎo)通時(shí)間脈沖。
未加二級濾波器時(shí)，輸出紋波為7.6mV峰峰值；添加后紋波降至2.3mV，降低約70%。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測試表明，該架構(gòu)在添加濾波器后仍保持穩(wěn)定運(yùn)行。
D-CAP3架構(gòu)無需額外補(bǔ)償電路，簡化了設(shè)計(jì)流程。其內(nèi)部紋波注入電路直接饋入比較器，降低了對輸出電容ESR的要求。
五、高級電流模式架構(gòu)特性
ACM架構(gòu)融合多種控制策略優(yōu)勢。TPS543B22采用基于紋波的峰值電流模式控制，使用內(nèi)部生成斜坡表示電感電流。
未加二級濾波器時(shí)，輸出紋波為7.4mV峰峰值；添加后紋波顯著降低至1.3mV，降幅超過82%。該器件提供三個(gè)可選的PWM斜坡選項(xiàng)，可優(yōu)化二級濾波器應(yīng)用時(shí)的環(huán)路性能。
值得注意的是，TPS543B22評估板直接預(yù)留了二級濾波器元件的焊盤，顯示出TI對此技術(shù)的重視。負(fù)載瞬態(tài)測試結(jié)果顯示出色的穩(wěn)定性。
六、效率與尺寸權(quán)衡分析
二級濾波器帶來的效率損失可忽略不計(jì)。測試數(shù)據(jù)顯示，添加濾波器后，三種方案的效率下降均小于0.5%，功率損耗增加約0.02W。
與傳統(tǒng)LDO后級穩(wěn)壓方案相比，二級濾波器在效率和成本上具有明顯優(yōu)勢。為實(shí)現(xiàn)8A輸出，并聯(lián)兩個(gè)4A TPS7A54 LDO需消耗1.4W功率（假設(shè)175mV壓降），而二級濾波器僅增加0.02W損耗。
92mm2的額外PCB空間換來了紋波性能的顯著提升，這一權(quán)衡對于對噪聲敏感的應(yīng)用場景是非常有價(jià)值的。
結(jié)語
三級濾波器技術(shù)為高性能處理器供電提供了一種高效解決方案。測試結(jié)果表明，三種控制架構(gòu)均能穩(wěn)定工作于二級濾波器配置，其中高級電流模式架構(gòu)表現(xiàn)最為出色，將紋波降至1.3mV。
選擇何種架構(gòu)取決于具體應(yīng)用需求：電壓模式提供設(shè)計(jì)靈活性，D-CAP3簡化了設(shè)計(jì)流程，而ACM則在紋波抑制和瞬態(tài)響應(yīng)間提供了最佳平衡。二級濾波器以最小效率損失和空間成本，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)方案難以達(dá)到的紋波性能。
三種控制架構(gòu)的紋波性能對比
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