在電子設(shè)備的電源供應(yīng)領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)高效且穩(wěn)定的供電一直是工程師們不懈追求的目標(biāo)。開關(guān)穩(wěn)壓器因其較高的效率在眾多應(yīng)用中得到廣泛使用，然而，其固有的噪聲問題卻常常成為限制其進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。尤其是在為對噪聲極為敏感的設(shè)備，如 ADC、PLL 或 RF 收發(fā)器等供電時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲可能會(huì)顯著降低這些設(shè)備的性能。為了解決這一問題，在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端增加次級(jí) LC 濾波器成為一種常見的做法，它能夠有效減少紋波和抑制噪聲。但是，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式中，二級(jí) LC 輸出濾波器也帶來了新的挑戰(zhàn)，如功率級(jí)傳輸函數(shù)建模為不穩(wěn)定的四階系統(tǒng)，若考慮電流環(huán)路的采樣數(shù)據(jù)效應(yīng)，完整的控制至輸出傳遞函數(shù)甚至?xí)優(yōu)槲咫A系統(tǒng)，這使得系統(tǒng)穩(wěn)定性難以保證。那么，是否存在一種方法，能讓帶有次級(jí) LC 濾波器的開關(guān)穩(wěn)壓器在保證高效的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且低噪聲的電源供應(yīng)呢?答案是肯定的，有一種創(chuàng)新的混合反饋方法可以達(dá)成這一目標(biāo)。

傳統(tǒng)上，LDO 穩(wěn)壓器常被用于為噪聲敏感設(shè)備供電，它能有效抑制系統(tǒng)電源中的低頻噪聲，為相關(guān)設(shè)備提供干凈的電源。然而，LDO 穩(wěn)壓器的效率通常較低，特別是當(dāng)它需要將高于輸出電壓幾伏的電源軌降壓時(shí)，效率往往只能達(dá)到 30% - 50%。與之相比，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率優(yōu)勢明顯，可實(shí)現(xiàn) 90% 甚至更高的效率。不過，開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲問題較為突出，其輸出紋波作為主要噪聲源之一，可能在 ADC 的輸出頻譜中表現(xiàn)為明顯的信號(hào)音或雜散，嚴(yán)重影響信噪比(SNR)和無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。因此，在不顯著降低設(shè)備性能的前提下，最大限度地減少開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波和噪聲至關(guān)重要。

為了兼顧高效率和高系統(tǒng)性能，在開關(guān)穩(wěn)壓器輸出端增加次級(jí) LC 濾波器(L2 和 C2)是一種有效的手段。但理想情況下，功率級(jí)傳輸函數(shù)建模為四階系統(tǒng)，本身就容易不穩(wěn)定。當(dāng)考慮電流環(huán)路的采樣數(shù)據(jù)效應(yīng)時(shí)，控制至輸出的傳遞函數(shù)變?yōu)槲咫A，系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化。雖然檢測初級(jí) LC 濾波器(L1 和 C1)點(diǎn)的輸出電壓來穩(wěn)定系統(tǒng)是一種替代方案，但在負(fù)載電流較大時(shí)，由于次級(jí) LC 濾波器上的壓降過大，會(huì)導(dǎo)致輸出電壓調(diào)節(jié)性能變差，這在許多應(yīng)用場景中是無法接受的。

新提出的混合反饋方法為這一難題提供了完美的解決方案。這種方法通過利用來自初級(jí) LC 濾波器的附加電容反饋來穩(wěn)定控制環(huán)路。具體來說，從輸出端經(jīng)過電阻分壓器的外部電壓反饋定義為遠(yuǎn)程電壓反饋，而經(jīng)過電容器 CF 的內(nèi)部電壓反饋定義為本地電壓反饋。遠(yuǎn)程反饋和本地反饋在頻域上承載不同信息，遠(yuǎn)程反饋負(fù)責(zé)檢測低頻信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)良好的直流輸出調(diào)節(jié);本地反饋則檢測高頻信號(hào)，為系統(tǒng)提供良好的交流穩(wěn)定性。新的混合反饋結(jié)構(gòu)的等效傳遞函數(shù)與傳統(tǒng)電阻分壓器反饋的傳遞函數(shù)有明顯區(qū)別，其傳遞函數(shù)零點(diǎn)比極點(diǎn)更多，額外的零點(diǎn)將在由 L2 和 C2 確定的諧振頻率處產(chǎn)生 180° 的相位提前。這樣一來，控制至輸出傳遞函數(shù)中的附加相位延遲就能夠通過反饋傳遞函數(shù)中的附加零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)基于整個(gè)控制至反饋傳遞函數(shù)的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

以 ADP5014 為例，基于功率級(jí)小信號(hào)模型和新的混合反饋方法設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，借助次級(jí) LC 濾波器，其在高頻范圍內(nèi)的輸出噪聲性能甚至優(yōu)于 LDO 穩(wěn)壓器。與不帶次級(jí) LC 濾波器的傳統(tǒng)電流模式降壓轉(zhuǎn)換器相比，新的電流環(huán)路增益增加了一對復(fù)數(shù)共軛極點(diǎn)和一對復(fù)數(shù)共軛零點(diǎn)，且它們彼此位置接近。通過增加外部斜率補(bǔ)償，增益和相位曲線形狀不變，但增益幅度減小，相位裕量增加，使得系統(tǒng)穩(wěn)定性顯著提高。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，反饋傳遞函數(shù)中的參數(shù) α 是一個(gè)關(guān)鍵因素。當(dāng) α 減小至 10 -6 時(shí)(例如：R A = 10k，C F = 1 nF)，反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)將表現(xiàn)為 180° 的相位延遲，復(fù)數(shù)零點(diǎn)成為 RHP 零點(diǎn)。要將零點(diǎn)保持在 LHP 中，參數(shù) α 應(yīng)始終滿足特定條件。只要滿足這一條件，控制系統(tǒng)就易于保持穩(wěn)定。但由于 R A 和 C F 在負(fù)載瞬態(tài)跳變期間會(huì)作為輸出電壓變化的 RC 濾波器工作，過大的 α 值會(huì)降低負(fù)載瞬態(tài)性能。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，建議參數(shù) α 比最小限值大 20% - 30% 左右。

控制至反饋的傳遞函數(shù) GP (s) 可以通過控制至輸出的傳遞函數(shù) Gvc (s) 和反饋傳遞函數(shù) G FB (s) 的乘積導(dǎo)出。由于帶寬受 f z1 限制，建議選擇小于 f z1 的 f c，這樣能確保閉環(huán)穩(wěn)定并具有足夠的相位裕量。ADP5014 通過對許多模擬模塊進(jìn)行優(yōu)化，在低頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了更低的輸出噪聲。當(dāng) V OUT 設(shè)置為小于 V REF 電壓時(shí)，單位增益電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)可使輸出噪聲與輸出電壓設(shè)置無關(guān)。并且，設(shè)計(jì)中增加的次級(jí) LC 濾波器有效衰減了高頻范圍的輸出噪聲，特別是對于基波下的開關(guān)紋波及其諧波。從 10Hz 至 10MHz 頻率范圍內(nèi)的噪聲譜密度測量結(jié)果以及 10Hz 至 1MHz 頻率范圍內(nèi)的積分有效值噪聲對比可以看出，ADP5014 在高頻范圍內(nèi)的輸出噪聲性能優(yōu)于傳統(tǒng)的 2A 低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器 ADP1740。

這種新的混合反饋方法不僅為帶有次級(jí) LC 濾波器的開關(guān)穩(wěn)壓器的建模和控制提供了通用的分析框架，還通過精確的控制到輸出傳遞函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在所有負(fù)載條件下提供足夠的穩(wěn)定性裕量并保持輸出精度，為 ADC、PLL 或 RF 收發(fā)器等設(shè)備提供了高效率、高性能的電源解決方案。其性能堪與 LDO 穩(wěn)壓器相媲美，甚至在某些方面更勝一籌。雖然本文主要關(guān)注電流模式降壓轉(zhuǎn)換器，但這種方法同樣適用于電壓模式降壓轉(zhuǎn)換器，具有廣泛的應(yīng)用前景。

在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們可以根據(jù)具體的電路需求和參數(shù)要求，靈活運(yùn)用這種混合反饋方法，優(yōu)化帶有次級(jí) LC 濾波器的開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)更高效、穩(wěn)定且低噪聲的電源供應(yīng)，為電子設(shè)備的高性能運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。