通过零延迟 PWM 控制（ZDPTM）优化汽车应用

零延迟脉宽调制(PWM)控制(ZDPTM)架构

 

从大的方面来讲，ZDPTM的设计中集成了传统 COT和峰值电流模式控制方案的典型模块（见图 1）。

图1: 零延迟PWM(ZDPTM)控制方案

与传统 COT 方案一样，ZDPTM通过将反馈节点直接连接到 PWM 比较器来绕过误差放大器 (EA)，从而创建到 PWM 比较器的快速路径。该快速路径可快速改变占空比来驱动上管 MOSFET (HS-FET) 和下管 MOSFET (LS-FET) ，从而补偿输出电压(VOUT)的波动，而无需上下斜坡补偿。

 

例如，当VOUT由于大负载瞬态而下降时，占空比会在下一个导通周期内增加，从而为输出电容供电，恢复VOUT。ZDPTM无需调整开关频率(fSW)即可恢复VOUT，因为其 PWM 锁存器由固定频率信号复位。

 

基于传统的峰值电流模式控制，ZDPTM还提供了一条通过 EA 的慢速路径，用来提高调节精度。这条慢速路径使用反馈电压和参考电压(VFB - VREF)之间的差值来创建误差信号，并将误差信号与交流耦合电流信号和斜率补偿斜坡相结合。

 

误差信号、交流耦合电流信号和斜率补偿斜坡的总和将与 VFB进行比较。VFB馈入采用固定频率时钟作为复位信号的 PWM 锁存器模块。ZDPTM环路稳定性只能通过2 类补偿来实现；相比3类补偿，其设计周期更短。

 

与峰值电流模式控制相比，ZDPTM在其架构中增加了谷值电流采样功能，用于检测电感电流(IL)。当 HS-FET 导通时，峰值电流模式控制在其上升斜坡检测 IL；当LS-FET 导通时，谷值电流采样在其下降斜坡检测IL。谷值电流采样与ZDPTM的结合可以实现更低的最小导通时间(tON_MIN)，因为电流采样模块不受峰值电流采样消隐时间的限制。 这使得ZDPTM能够以更低的占空比和更高的fSW运行，而这恰是 12V 汽车电池电压降至片上系统 (SoC) 所需工作电源电平所必需的。

仿真测试结果(1)

 

ZDPTM器件的负载瞬态响应仿真结果可以让我们对其架构有更深入的了解（见图 2）。

图2: ZDPTM负载瞬态响应仿真结果

仿真结果显示了PWM 比较器（PWM- 和 PWM+）的输入以及触发上管栅极 (HSG) 导通和关断的过程。根据图 1，PWM- 直接来自反馈，而 PWM+ 是IL、斜坡补偿和 EA 输出的总和。如果 PWM+ 超过 PWM-，则 HSG 导通（见图 3），并由复位栅极驱动器的固定频率时钟终止。

 

注：
1) VIN = 12V，VOUT = 3.3V，00A 至 4A 的负载阶跃（5A/μs），fSW = 2.2MHz，L = 1µH，COUT = 2 x 22µF，在 MPQ4340-AEC1 上仿真并测试电容电压降额 。

图 3：HSG 在 ZDPTM 负载瞬态响应期间的导通

当负载从 0A 升至 4A 时，VOUT 开始下降，这导致 PWM- 按比例下降。之后，PWM+ 超过 PWM- 比稳态期间更长的时间，这增加了占空比，从而校正了负载阶跃后的 VOUT。由于 PWM+ 绕过了 EA，因此占空比在 VOUT 波动后立即增加，而不会改变fSW（见图 4）。

图 4：ZDPTM 负载瞬态响应期间的占空比

图 4 中的绿色迹线代表占空比（以 % 为单位）。在几个开关周期内，占空比从 27% 增加到 35%。 这导致 VOUT（如图 4 中的红色迹线）快速返回至其稳定的 3.3V 电平。HSG（如图 4 中的蓝色迹线）则表明了 fSW 在负载瞬变期间的恒定，从而证明了 ZDPTM 的固定频率操作。

 

硬件结果(2)

 

ZDPTM硬件结构和 MPS所具有的器件优势共同实现了固定频率操作期间的快速负载瞬态响应。例如，MPQ4340-AEC1MPQ4340-AEC1 是一款采用 ZDPTM控制方案的同步降压变换器。该变换器专为非电池汽车应用而设计，其开关稳压器需要固定频率运行以适应严格的 EMI 环境。该器件的负载瞬态性能与图 4 一致，其中 fSW 保持恒定，当 VOUT由于负载阶跃而下降时，占空比会立即发生变化（见图 5）。

图5: MPQ4340-AEC1的负载瞬态响应

与传统控制方案（例如峰值电流模式控制）相比，ZDPTM在负载瞬态性能方面表现出色，它能够以极低的组件成本实现快速瞬态性能，因此是更理想的控制方案。

 

为了证明这一点，我们将两种具有不同控制架构的类似产品进行比较。图 6 比较了 ZDPTM（使用 MPQ4340-AEC1）与传统汽车峰值电流模式控制器件的 0A 至 3.5A 负载瞬态。两款器件均采用相同的电感、输出电容数量以及 fSW进行测试。

图 6：峰值电流模式控制与 ZDPTM 的负载瞬态响应比较

注：
2) VIN = 12V，VOUT = 3.3V，0A 至 3.5A 负载阶跃（2A/μs），fSW = 2.2MHz，L = 1µH，COUT = 2 x 22µF。使用 MPQ4340GLE-33-AEC1 和通用汽车峰值电流模式器件进行测试。

 

图 6 中的负载瞬态响应结果突显了 ZDPTM 架构相比峰值电流模式控制架构的明显优势。在相同的负载阶跃条件下，峰值电流模式器件的 VOUT 波动为523mVPK-PK，而 MPQ4340-AEC1 仅为 170mVPK-PK。

 

ZDPTM 瞬态优势还降低了总体电源解决方案的成本；因为与传统控制架构相比，它需要的输出电容更少。

 

MPQ4340-AEC1 利用 ZDPTM 的架构优势实现了低 tON_MIN，其典型值低至 20ns，最大 35ns。而峰值电流模式器件的典型 tON_MIN 为 80ns。低 tON_MIN 使 ZDPTM 器件能够将汽车电池电源电压（标称工作条件下高达 18V）降至适合为 SoC 供电的电压水平（低至 1.8V），同时还能保持在 AM 频段之上的高 fSW，例如 2.2MHz。

 

对采用 ZDPTM 架构的 MPQ4340-AEC1 进行EMI测试，结果证明它能够兼容汽车应用经常遇到的严苛 EMC 环境。测试结果还表明，ZDPTM可以利用频谱扩展 (FSS)功能进一步使解决方案通过具备标准输入和输出滤波器的 EMI 要求（见图 7）。

图 7：MPQ4340-AEC1的EMI 测试结果(3)

注：
3) EMC 测试结果基于带 EMI 滤波器的典型应用电路（更多详细信息请参阅 MPQ4340-AEC1 数据手册）。

 

总结

 

零延迟 PWM 控制 (ZDPTM) 优化了现代汽车应用中的开关稳压器需求。采用 ZDPTM 控制方案的产品能够满足 ADAS 和数字座舱应用中 SoC 要求的快速瞬态规范，同时还能最大限度地降低成本。ZDPTM的固定频率操作非常适合对EMI 敏感的汽车环境。 此外，由于 tON_MIN较低，ZDPTM的谷值电流采样功能可以实现更大的 VIN/VOUT 比率以及更高的 fSW 。

 

MPS 提供采用ZDPTM控制方案的强大的汽车级产品系列，MPQ4340-AEC1和MPQ4371-AEC1。