基于RT6203降压转换器的可动态调整工作电压电路设计
发布时间:2020-01-15
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基于RT6203降压转换器的可动态调整工作电压电路设计
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RT6203E/RT6203F 是采用带有外露式散热焊盘的 SOP-8 封装的 ACOTTM 架构同步 Buck 转换器,输入电压范围为 4.5V-18V,工作频率 700kHz,负载能力为 6A,输出电压可调范围为 0.6V-1.62V,可通过 I2C 接口输入指令对其输出电压、过流保护阈值、过热保护阈值、开关机状态和电压动态变化速度等参数进行设定,预设软启动时间因型号而有差别 (F:950µs/E:1100µs),响应速度快,可与陶瓷输出电容配合稳定工作。

除了软启动时间不一样以外,RT6203E 和 RT6203F 的其他特性都是一样的,所以这样的电路图对两者都是适用的。它们都采用 ACOTTM 控制架构,因而都具有很高的瞬态响应速度,能使用具有低 ESR 特性的陶瓷电容作为输出电容,具有几乎恒定的 700kHz 工作频率,但在轻载条件下又都能进入 PSM 工作模式以改善工作效率,这时候的工作频率和负载大小就是密切相关的,两者之间成正比关系,这是由于 RT6203E/F 在工作时会对电感电流进行检测,一旦该电流下降到 0,下桥开关就会截止,而决定上桥开关导通的条件是由反馈电压和参考电压的比较结果决定的,轻负载降低了输出电压的下降速度,反馈电压又是正比于输出电压的,所以轻负载下反馈电压下降到参考电压的速度也降低了,上桥开关导通的机会相应减少,这就使得实际的工作频率降低了。

RT6203E/F 没有常见的反馈端 FB,它的反馈端就是输出电压检测端 VOUT,这样定义的端子在线性稳压器中一般就是输出端,但在这里是完全不一样的反馈端,从下面的内部框图可以看到它是连接到内部的比较器输入端的:

内部比较器的另外一个输入端连接到了 DAC OUT,它是数模转换器的输出端。数模转换器的输入是来自 I2C 总线的 VID 编码,编码决定的 DAC 输出范围是 0.6V ~ 1.2V,这个范围决定了 RT6203E/F 的输出电压范围也是 0.6V ~ 1.2V。如果我们将某个高性能的 FPGA、ASIC 或是 DSP 作为 RT6203E/F 的负载,则可以根据该负载的需要随时修改 RT6203E/F 的输出电压。

有的人可能很难理解一个高端处理器的工作电压为什么要做动态调整,这里我们可以从一个侧面来做个简单的推理。下图是 RT6203E 的规格书提供的一幅瞬态响应波形图:

转换器的输出电压设定为 1.1V,负载电流在图中显示的时间段内发生了一次 3A 到 6A 的跳变,这在输出电压上形成了一次大约 35mV 的电压下坠。一个好的转换器总是根据负载的需求来提供其输出,当负载电流为 3A 的时候,Buck 转换器的电感电流的均值便是 3A,超出和低于的部分都是转换过程的微观部分而已,通过选择适当的工作频率和器件参数便可对其进行适当的控制,最终使得输出电压的变化范围不会是很大,那也就是我们通常所说的输出电压纹波。负载的突然变化造成的影响是不能得到转换器的及时响应的,这时候就需要输出电容里的储能来弥补,而这样就造成了输出电压的下坠。设计良好的转换器能快速感知到这一变化,尽可能快地打开上桥为输出补充能量,ACOT 架构在这方面就表现出明显的优势,因为当新增负载电流出现的时候,输出电容的 ESR 就会把它变成电压纹波呈现出来,器件内部的比较器一旦发现反馈电压低于参考电压,一次新的导通过程就会立马发生,新的能量补充过程就开始了,这个过程会反复进行到反馈电压高于参考电压为止。由于响应速度快,所以就能得到电压下坠幅度很低的效果,持续的时间也会很短。

负载的跳变所导致的电压下坠与负载的变化速度以及变化的幅度都有关系,负载变化速度快,则相对应的转换器响应速度便显得低了,积累起来的电压下坠幅度就会比较大;负载变化幅度大,则导致的电压下坠幅度便会加大,最终都是形成电压变化大的效果。这种情形在高性能处理器的应用中是普遍存在的,因为数字处理器在静态时是不太耗电的,但一动起来就会有巨大的电流出现,因为内部的开关元件太多了,每一次开关都意味着消耗的发生,如果为之供电的转换器的输出电压非常靠近它工作电压的下限,当它从静态突然进入满负荷工作的动态时,供电电压就可能跌穿其底部阈值,错误的状态就可能发生,这样就可能带来灾难性的后果。当转换器的输出电压是可以动态调整的以后,处理器就可以根据自己的工作安排动态调整转换器的输出电压,使得自身的工作状态的变化不会造成电源电压超出自身的安全区域。

上面所说的是电流从低到高跳变的影响以及转换器的应对措施,我们仔细观察瞬态响应波形图也能看到电流从高到低跳变的影响,输出电压波形会发生隆起的上冲现象,这也会在高性能处理器的工作中带来影响,但细节我们就不再描述了,读者可以从相反的角度自己推理一下来进行理解。

当 RT6203E/F 接收到新的 VID 编码的时候,其输出电压从原有的值改变到新值的速度是可调的,它共有 Code/1µs ~ Code/8µs 8 个级别可选,其中的 Code 即是 VID 编码,从 0.6V 到 1.62V 共有 77个 可选 VID,下图便是通过 VID 编码让输出电压从 0.6V 改变到 1.62V 的过程展示,所用速度是 Code/1µs,你可以看一下其变化时间是不是与你的预期相符。

如果你觉得上面这幅图里的时间不太容易计算,那可以用下面这幅图来验证一下你的估算是否正确,因为它的时间分辨率更高,我估计你能算得更精确一点,只是要注意这幅图展示的过程是上图的逆过程。

在我看来,思考器件中的设计逻辑是很有趣的,我在刚开始工作的时候便喜欢做这样的事情,到了现在也还没有改变这一习惯。计算一下上面图中的时间则纯属好玩,以游戏的心态做事,不仅不累,还很轻松,还可以看看设计者是否在骗你,看看它是否真的做到了它所说的东西,真的是一举多得,你觉得呢?

 

 

文章来源RichtekTechnology,作者郑刚

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