超低成本的PWM控制开关电压调节器设计

最近的一个设计实例演示了一种使用PWM控制典型开关调节器输出的方法，在文章的评论区有一些关于电路行为的讨论，这些讨论大有脾益。本文根据这些讨论演进出了一个低成本设计，只有一个逻辑门IC、一个运算放大器以及一些电阻和电容缓冲PWM并向调节器的反馈引脚提供信号，如图1所示。Pckednc

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图1：微处理器产生12位、20MHz的PWM信号，该信号使用逆变器IC、运算放大器、电阻器和电容器来控制开关电压调节器，以缓冲调节器反馈引脚的信号。Pckednc

由于各种原因，要将调节器的输出电压控制在一定精度水平以上，虽然这是可能实现的，但也非常困难。本设计采用12位分辨率的PWM，工作频率约为4900Hz。Pckednc

如今，要找到能够产生20MHz PWM时钟的微处理器(µP)并不难。然而，流经该IC电源引脚的电流可能会导致电压降。这意味着PWM信号无法完全达到额定电压，更糟糕的是，如果µP的任务导致电流显著变化，电压降也可能会发生变化，而且可能无法通过校准消除误差。一个简单的解决方案是使用逻辑门(通常是反相器)对µP进行缓冲，除了开关瞬态期间，这些逻辑门的电流消耗几乎可以忽略不计。逻辑门可以由干净、精确的电压源供电，电压值应与µP的供电电压相同或接近。Pckednc

图1中的反相器为74LVC2G14GW,125 IC，其并联输出驱动基于运算放大器的低通滤波器，该滤波器的无源元件阻抗足够高，对输出端的负载可忽略不计。当采用3V或更高电压供电时，该双路反相器在-40°C至+85°C范围内的输出电阻小于15Ω。(如果需要在1.8V电压下运行微处理器，请将74LVC14AD,118的6个反相器并联，即可获得小于19Ω的输出电阻。)Pckednc

TLV333IDBVR运算放大器的最大输入偏置电压为15µV(最大偏置电压是针对5V电源指定的，如果电源电压较低，则可能会出现未知的增量)。Pckednc

其典型输入电流(未指定最大值)在-40°C至+85°C范围内为150pA，通过R1、R2和R3产生115µV的偏置电压。在1.8V电压下，12位信号的½LSb电压为220µV(3.0V电源供电时为370µV)。滤波器在10mS内稳定至远低于12位½LSb电压的水平，且峰值(而非峰峰值)纹波小于50µV。Pckednc

R4和R5的选择应确保运算放大器的预期最大正输出电压乘以R4/(R4+R5)的值至多略大于Vfb，这样，调节器输出即可达到Vfb。如果所需的最小调节器输出大于Vfb，则该比率可能会更小。电阻的并联组合应为调节器指定的连接在Vfb和地之间的单个电阻的值，通常为10kΩ。R6应根据所需的输出电压范围进行设置。Pckednc

PWM占空比的允许范围应排除极端值，原因有两个：Pckednc

• 首先，运算放大器输出仅保证在每个电源轨的70mV范围内摆动(10kΩ负载连接到电源电压的一半)。
• 其次，处理器，尤其是GPIO(某种程度上也包括门电路)，可能存在不一致的上升时间和下降时间以及延迟。虽然这些差异很小，但它们对占空比极端值下的精度影响最大，因此应避免这种情况。

幸运的是，这些限制对功能的影响微乎其微。Pckednc

在本设计中，输出电压与占空比呈线性关系。调节器的环路增益与标准工作时相同。在PWM滤波器输出稳定之前，调节器处于禁用状态，因此不会出现启动问题。最后，外部电源注入反馈引脚的固有噪声可以忽略不计。Pckednc

(原文刊登于EDN美国版，参考链接：Another PWM controls a switching voltage regulator，由Ricardo Xie编译)Pckednc