选择并约束应用程序

为了展示不同控制模式在类似工作条件下的性能，我们设计并构建了三种不同的电源。每种设计的输入电压为12V，输出电压为1V，且每个器件的输出电流能够达到15A，这是为高性能SoC供电的典型要求，因为高性能SoC集成了敏感的模拟电路，需要低输出电压纹波。

为了约束滤波器设计和性能预期，允许的纹波电压为输出电压的±0.15%或±1.5mV（3mVpp）。我们选用了三个TI直流/直流转换器进行比较，分别是15AD-CAP3™降压转换器（TPS548A28）、20A内部补偿高级电流模式（ACM）降压转换器（TPS543B22）和15A电压模式降压转换器（TPS56121）。在转换器支持类似第二级滤波器元件的能力范围内，我们尽可能选择了输出电压、输出电流和工作频率彼此接近的器件。

（图注：转换器控制架构和第二级滤波器）

设计第二级滤波器

即使使用低等效串联电阻（ESR）陶瓷输出电容器，通过降压转换器的电感器和电容器（LC）输出滤波器来实现低输出电压纹波也是不切实际的。要实现低于5mV的输出纹波，设计人员可能需要使用第二级LC滤波器。可使用方程式1并求解L2来计算第二级滤波器的电感器值，其中电感器L2是第二级电感器，C1是降压转换器的初级输出电容器，C2是第二级电容器网络。

所有三种设计都使用了相同的第二级滤波器，该滤波器占用了92mm²的电路板面积。选择第二级电感器值（L2）并组装元件后，下一步是通过增加第二级电感和电容来重新补偿直流/直流转换器的控制环路，以确保稳定性。需要注意的是，每个控制架构都有自己独特的技术，可在添加第二级滤波器后重新补偿控制环路（如需）。

（图注：第二级滤波器的电路板面积为92mm²）

不同控制架构的性能分析

电压模式控制架构

具有电压模式控制架构的脉宽调制（PWM）是通过将输出电压和基准电压的电压误差信号与恒定锯齿-斜坡波形进行比较来实现的，斜坡由振荡器发出的时钟信号启动。

TPS56121采用外部补偿3类补偿来寻址双极功率级，从而允许在添加第二级滤波器后对转换器进行重新补偿。在添加第二级滤波器后，通过调整外部电阻器和电容器值可确保稳定性。在没有额外滤波器的情况下，输出电压峰峰值纹波为4.8mV；应用额外滤波器后，输出电压纹波为1.9mV。在这种情况下，TPS56121设计无需调节环路补偿即可确保稳定性。图3显示了具有10A负载阶跃的负载瞬态波形，实施第二级滤波器后的输出电压波形没有不稳定的迹象。

（图注：具有和不具有额外第二级滤波器的TPS56121输出电压纹波）

（图注：使用电压模式控制的TPS56121的瞬态响应）

D-CAP3控制架构

D-CAP3使用一次性计时器生成与输入电压和输出电压成正比的导通时间脉冲。当下降反馈电压等于基准电压时，将生成新的PWM导通脉冲。斜坡由输出电感器仿真，来自内部纹波注入电路的信号直接馈入比较器，消除了其失调电压，从而减少了对电容器ESR输出电压纹波的需求。

D-CAP3和其他恒定导通时间转换器的优势之一是无需额外的环路补偿电路。但是，如果器件支持此功能，并且在输出电压反馈电阻分压器网络中添加了前馈电容，则控制环路的功能可通过可调斜坡进行调整。在没有额外滤波器的情况下，TPS548A28输出电压峰峰值纹波为7.6mV；应用额外滤波器后，输出电压纹波为2.3mV。在此情况下，TPS548A28设计无需进行调整即可确保稳定性。图5显示了与之前的转换器具有相同10A负载阶跃的负载瞬态波形，实施第二级滤波器后的输出电压波形没有不稳定的迹象。

（图注：具有和不具有额外第二级滤波器的TPS548A28输出电压纹波）

（图注：使用D-CAP3控制的TPS548A28的瞬态响应）

高级电流模式（ACM）控制架构

内部补偿ACM是基于纹波的峰值电流模式控制方案，它使用内部生成的斜坡来表示电感器电流。这种控制模式可在非线性控制模式（如D-CAP3）的更快瞬态响应速度与其他外部补偿固定频率控制架构（如电压模式控制）的广泛电容器稳定性之间实现平衡。

ACM是一种较新的控制架构，它允许使用单个电阻器（而非电阻器和电容器网络）对环路进行补偿。TPS543B22具有三个可选PWM斜坡选项，可在实施第二级滤波器时优化控制环路性能。有趣的是，其评估模块在电路板上具有电容器和电感器焊盘，可方便地容纳第二级滤波器元件。在没有额外滤波器的情况下，TPS543B22输出电压峰峰值纹波为7.4mV；应用额外滤波器后，输出电压纹波为1.3mV。TPS543B22设计无需调整斜坡即可确保稳定性。图7显示了与之前的转换器具有相同10A负载阶跃的负载瞬态波形，实施第二级滤波器后的输出电压波形没有不稳定的迹象。

（图注：具有和不具有额外第二级滤波器的TPS543B22输出电压纹波）

（图注：使用ACM控制的TPS543B22的瞬态响应）

效率损失分析

为了比较功率损耗，我们在具有和不具有额外第二级滤波器的情况下测量了每个直流/直流转换器的满载效率。结果表明，第二级滤波器的功率损耗和效率损失可忽略不计。之所以测量效率和功率损耗差异，是因为每个直流/直流转换器都具有独特的功率MOSFET，这会导致效率结论不准确。

设计人员以前使用额外的低压降（LDO）稳压器对直流/直流转换器的输出电压进行后置稳压，并实现低输出电压纹波。如果设计人员更喜欢使用LDO而不是第二级滤波器，则可以并联4ATPS7A54来提供高达8A的电流。例如，如果LDO的压降为175mV，则两个LDO在8A电流下的耗散功率为1.4W，而第二级滤波器的耗散功率为0.02W。LDO的输出电压纹波噪声较低，为4µV，但如果第二级滤波器为SoC和AFE提供可接受的低输出电压纹波，则其优点是尺寸更小、功率损耗更低且元件成本更低。

（图注：效率和功率损耗比较）

结论

第二级滤波器是一种简单、小巧、高效且低成本的解决方案，可为高电流负载设计提供低输出电压纹波。虽然没有适用于每种设计情况的完美控制模式，但可以在许多降压转换器控制架构中实施第二级滤波器。如果您使用网络接口卡SoC或是使用AFE的远程无线电单元进行设计，则第二级滤波器可提供比标准降压转换器低得多的纹波。表3总结了与每个器件相关的纹波以及效率和尺寸权衡。

综上所述，在追求低输出电压纹波的电源设计中，第二级滤波器是一种值得考虑的有效方案。不同的控制架构在减少纹波和稳定性方面各有优势，设计人员可以根据具体的应用需求和性能要求进行选择。同时，在评估效率损失和成本时，需要综合考虑各种因素，以实现最优的设计方案。