通过零延迟 PWM 控制（ZDP^TM）优化汽车应用

Angelo Gallardo

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简介

高级驾驶辅助系统 (ADAS)和数字座舱应用中的电源轨功耗不断增加，这导致改进传统控制方法（例如峰值电流模式控制）的需求越来越高。新的控制方案需要同时具备出色的负载瞬态性能和低导通时间能力。虽然恒定导通时间 (COT) 控制也可用作控制方案，但其变化的频率并不适合对EMI 敏感的汽车环境。

本文将介绍MPS 的固定频率电源控制方法，零延迟脉宽调制 (PWM) 控制(ZDP^TM)。与峰值电流模式控制相比，这种方法可以在改进动态性能的同时保持固定频率操作。

零延迟脉宽调制(PWM)控制(ZDP^TM)架构

从大的方面来讲，ZDP^TM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(ZDP^TM)控制方案

与传统 COT 相比，ZDP^TM通过 EA 得到稳定的输出电压，同时又将 FB 信号引入到环路控制里，提高了负载变化的响应速度。这条路径可快速改变驱动 HS-FET 和下管 MOSFET（LS-FET）的占空比，无需另外调节斜坡大小，即可补偿 V_OUT 的波动。

例如，当V_OUT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V_OUT。ZDP^TM无需调整开关频率(f_SW)即可恢复V_OUT，因为其 PWM 锁存器由固定频率信号复位。

ZDP^TM控制通过误差放大器(V_REF-V_FB)产生误差信号。该信号与AC耦合电流信号和斜率补偿斜坡相加。然后将求和信号与V_FB进行比较，并馈入使用固定频率时钟作为复位信号的 PWM 锁存块。ZDP^TM环路稳定性可通过Type II 补偿实现；与Type III补偿相比，ZDP^TM节省了设计周期时间。

与峰值电流模式控制相比，ZDP^TM在其架构中增加了谷值电流采样功能，用于检测电感电流(I_L)。当 HS-FET 导通时，峰值电流模式控制在其上升斜坡检测 I_L；当LS-FET 导通时，谷值电流采样在其下降斜坡检测I_L。使用 ZDP^TM检测谷值电流不需要对上管采样增加消隐时间，它可以在 LS-FET 导通时对电流进行采样，这使得ZDP^TM能够以更低的占空比和更高的f_SW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⁾

ZDP^TM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: ZDP^TM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I_L、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) V_IN = 12V，V_OUT = 3.3V，00A 至 4A 的负载阶跃（5A/μs），f_SW = 2.2MHz，L = 1µH，C_OUT = 2 x 22µF，在 MPQ4340-AEC1 上仿真并测试电容电压降额。

图 3：HSG 在 ZDP^TM 负载瞬态响应期间的导通

当负载从 0A 升至 4A 时，V_OUT 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 V_OUT。由于 PWM+ 绕过了 EA，因此占空比在 V_OUT 波动后立即增加，而不会改变f_SW（见图 4）。

图 4：ZDP^TM 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 V_OUT（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 f_SW 在负载瞬变期间的恒定，从而证明了 ZDP^TM 的固定频率操作。

硬件结果⁽²⁾

ZDP^TM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 ZDP^TM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 f_SW 保持恒定，当 V_OUT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，ZDP^TM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 ZDP^TM（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 f_SW进行测试。

图 6：峰值电流模式控制与 ZDP^TM 的负载瞬态响应比较

注：
2) V_IN = 12V，V_OUT = 3.3V，0A 至 3.5A 负载阶跃（2A/μs），f_SW = 2.2MHz，L = 1µH，C_OUT = 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 ZDP^TM 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 V_OUT 波动为523mV_PK-PK，而 MPQ4340-AEC1 仅为 170mV_PK-PK。

ZDP^TM 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 ZDP^TM 的架构优势实现了低 t_{ON_MIN}，其典型值低至 20ns，最大 35ns。而峰值电流模式器件的典型 t_{ON_MIN} 为 80ns。低 t_{ON_MIN} 使 ZDP^TM 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 f_SW，例如 2.2MHz。

对采用 ZDP^TM 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，ZDP^TM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 (ZDP^TM) 优化了现代汽车应用中的开关稳压器需求。采用 ZDP^TM 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。ZDP^TM的固定频率操作非常适合对EMI 敏感的汽车环境。此外，由于 t_{ON_MIN}较低，ZDP^TM的谷值电流采样功能可以实现更大的 V_IN/V_OUT 比率以及更高的 f_SW 。

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