为家庭和企业网络中的宽带调制解调器、路由器和网关配备合适的电源的3个技巧

1.前言

为家庭和企业网络中的宽带调制解调器、路由器和网关配备无线接入点 (AP) 功能正在经历爆炸式增长。图 1 显示了这样的 Wi-Fi® 网络。随着市场的不断增长，此类设备中使用的 DC/DC 转换器必须满足多项要求。

图 1：典型的住宅或小型办公室 Wi-Fi 网络

2.选择正确的开关频率

第一个要求是至少 1.2MHz 的开关频率。图 2 显示了无线 AP 的示意图。为 Wi-Fi 核心芯片供电的 DC/DC 转换器的开关噪声会影响该 Wi-Fi 调制解调器的误差矢量幅度 (EVM)，从而降低通信质量。幸运的是，标准 Wi-Fi 芯片组锁相环 (PLL) 的频率响应可用作截止频率约为 1MHz 的低通滤波器。

实验表明，使用高频 DC/DC 转换器可以最大限度地减少这种 EVM 干扰。大多数无线 AP 芯片组制造商，如高通和博通，建议最低开关频率高于 1.2MHz，并保留一些余量。

图 2：无线 AP 示意图

为了满足最低频率要求，我们可以使用基于电流模式控制的转换器。这种转换器通常有一个内部时钟来同步其操作。满足设计目标（例如 1.4MHz，容差为 ±200kHz）并不是很有挑战性。缺点是转换器的负载瞬态性能适中。有时，为了满足 Wi-Fi 系统的快速负载瞬态要求，我们必须使用更大的输出电容，这会增加系统总成本。

3.加速负载瞬态响应

第二个要求是更快的负载瞬态响应。Wi-Fi 模块中放大器的功耗在数据收发和空闲状态下有很大差异，状态变化可能非常快。这对电源解决方案的负载瞬态性能提出了更高的要求。

我们可以选择具有恒定导通时间 (COT) 模式的转换器，该模式以其更快的环路响应而闻名。不幸的是，COT 转换器中没有内部时钟；转换器只是根据输入和输出电压为高端功率场效应晶体管 (FET) 生成适当的导通时间，以保持伪恒定开关频率。COT 转换器的开关频率随着输入和输出电压的变化而变化很大。设计具有相对严格频率容限要求的 COT 转换器非常困难。

4.使用频率锁定

我们需要一种高频、经济高效的解决方案，它具有像 COT 转换器一样的快速负载瞬态性能，但也可以像电流模式转换器一样保持相对恒定的开关频率。

图 3 说明了一种提议的解决方案，该解决方案采用 D-CAP3™ 控制模式并实施专有的锁频功能，以实现像电流模式设备一样的恒定频率。

图 3：基于 D-CAP3 控制模式的转换器的框图

与传统的 COT 控制模式相比，我们可以通过该解决方案实现以下几个好处：

· 转换器开关频率与参考时钟频率进行比较。基于该结果，单触发块产生的导通时间进行调整以将开关频率保持在相对较窄的变化范围内。

· 误差放大器消除了由输出电压纹波幅度引起的直流电压误差。这种直流误差通常存在于传统的 COT 控制模式转换器中。

· 与在 COT 转换器中使用输出电压的纹波不同，基于 D-CAP3 控制模式的转换器将生成内部纹波信号来模拟电感电流纹波，从而无需在输出电容器上使用等效串联电阻即使没有输出电压纹波，也能实现稳定的调节。

频率锁定功能可以实现相对恒定的开关频率。如果内部参考时钟设置为1.4MHz，在量产时可以轻松保证高于1.2MHz的开关频率，满足第一个要求。对于第二个要求，我们也可以轻松满足快速负载瞬态响应，因为这是 DCAP-3 控制模式的固有优势。

5.理论到实践

我们以 TI 的TPS563249  17V、3A 降压转换器为例，获取测量结果。

图 4 显示了与电流模式转换器相比，TPS563249  的负载瞬态响应更快。为了进行直接比较，电流模式转换器的开关频率设置为 1.4MHz，TPS563249  也是如此，并且交叉频率设置为开关频率的十分之一左右。两个转换器都使用相同的 1.5µH/22µF 输出电感电容滤波器。

图 4：与基于电流模式的转换器相比，TPS563249 的负载瞬态响应更快

负载阶跃从 1A 到 3A，压摆率为 2.5A/µS；目标输出电压为 3.3V。电流模式转换器的峰峰值输出电压纹波为标称输出电压的 4.3%，而TPS563249 仅为 2.3% 。

图 5 和图 6 显示了TPS563249 的恒定开关频率与没有频率锁定功能的通用 COT 转换器相比。

图 5：频率变化与不同的 V IN (V OUT = 5V)

图 6：频率变化与不同的 V IN (V OUT = 1.05V)

TPS563249 相比于一般COT转换器具有较小的变化范围。正如我们所看到的，TPS563249 还保持一个严格的频率范围：无论输入和输出电压如何变化，标称频率的变化都在 5% 左右。然而，对于一般的 COT 转换器，在最坏情况下，频率与标称频率相差约 35%。

通常，TPS563249 以恒定的 1.4MHz 开关频率工作，并在所有条件下消除 Wi-Fi 系统中的噪声干扰。它还通过实施 D-CAP3 控制模式满足 Wi-Fi 放大器的快速负载变化要求。

1.4MHz 的高开关频率有助于最大限度地减小系统总尺寸以及物料清单成本。它非常适合对频率敏感的应用，例如宽带调制解调器、路由器和带有无线 AP 的网关。