具備整合式點對點序列通訊或類比前端 (AFE) 的進階處理器和晶片系統 (SoC) 需要具備低輸出電壓漣波的電源供應器，以維持訊號完整性並提升性能。處理器負載點 (POL) 電源的輸出電壓漣波需求可低於 2-mV (約為一般設計漣波的十分之一)，對同步降壓轉換器造成設計上的沈重限制。由於處理器的輸出電流要求超出線性後穩壓器的能力，因此採用第二級濾波器、較高切換頻率和額外輸出電容將可大幅減少 POL 的漣波。同步降壓轉換器可搭配多種不同控制架構使用，每種架構都有其獨特方法，確保進行低漣波電壓設計時的穩定性。本文將比較三種不同控制架構：外部補償電壓模式、固定開啟時間與可選補償電流模式，以達到 1-mV 輸出電壓漣波與使用相同電氣規格的測試資料，並比較輸出電壓漣波、解決方案大小、負載暫態與效率。

我們共設計與製造三種不同的電源供應器，來展示各控制模式在類似操作條件下的效能。在每個設計中，輸入電壓為 12 V，輸出電壓為 1 V，各裝置的輸出電流則可達 15-A。這些需求在為整合敏感類比電路且需低輸出電壓漣波的高效能 SoC 供電時十分常見。

為滿足濾波器設計與性能預期，允許漣波電壓為輸出電壓的 ±0.15 % 或 ±1.5 mV (3 mVpp)。我們的比較包括三個 TI DC/DC 轉換器：一個 15-A D-CAP3™ 降壓轉換器 (TPS548A28)、一個 20-A 內部補償進階電流模式 (ACM) 降壓轉換器 (TPS543B22) 和一個 15-A 電壓模式降壓轉換器 (TPS56121)。我們在轉換器的能力範圍內盡可能選擇彼此相近的輸出電壓、輸出電流和操作頻率，以支援類似的第二級濾波器元件。

即使以低等效串聯電阻 (ESR) 陶瓷輸出電容器，使用降壓轉換器的電感器和電容器 (LC) 輸出濾波器來實現低輸出電壓漣波的做法仍較不實際。設計人員可能需要使用第二級 LC 濾波器，才能將輸出漣波降至 5-mV 以下。如需有關第二級濾波器設計或漣波測量技術設計的詳細資訊，請參閱資源章節。第二級濾波器的電感器值可利用 方程式 1 計算並解出 L2。電感器 L2 為第二級電感器，C1 為降壓轉換器的主要級輸出電容器，C2 則為第二級電容器網路。三種設計皆使用相同的第二級濾波器 (如 表 1 所示)，佔用電路板面積爲 92mm² (如 圖 1 所示)。

圖 1 第二級過濾器電路板面積 92mm²。

選擇第二級電感器值 (L2) 並完成元件組裝後，下一步是增加第二級電感和電容重新補償 DC/DC 轉換器的控制迴路，以確保穩定性。請務必注意各控制架構都有其獨特技術，可視需要在增加第二級濾波器後重新補償控制迴路。評估各控制架構的輸出電壓漣波、效率損失及穩定性，並為結果進行總結。

我們透過將輸出電壓與參考電壓的電壓誤差訊號與恆定鋸齒斜率波形相比較，以完成具電壓模式控制架構的脈衝寬度調變 (PWM)。斜率由來自振盪器的時脈訊號開始。TPS56121 採用外部補償的 Type-3 補償處理雙極功率級，讓轉換器可在加入第二級濾波器後重新補償。在加入第二級濾波器後調整外部電阻器和電容器值，以確保穩定性。輸出電壓峰間漣波在無額外濾波器的情況下為 4.8-mV。在使用額外濾波器的情況下，輸出電壓漣波為 1.9-mV (如 圖 2 所示)。在此情況下，TPS56121 設計無需迴路補償調整即可確保穩定性。圖 3 為具有 10-A 負載步進的負載暫態波形，執行第二級濾波器後的輸出電壓波形沒有不穩定的跡象。

圖 2 有無額外第二級濾波器下的 TPS56121 輸出電壓漣波。

圖 3 使用電壓模式控制的 TPS56121 暫態響應。