本文將為大家介紹 MPS 獨特的固定頻率電源控制方法——零延遲脈寬調制（PWM）控制（ZDP）。相比常見的固定頻率控制方法，如電壓模式控制或峰值電流模式控制，ZDP 可明顯改善瞬態響應。

簡介對電源設計而言，MPS 的零延遲 PWM（ZDP）控制具備很多優勢，包括快速瞬態響應和穩定的開關頻率（fSW）。 我們先來簡單回顧一下常見的控制拓撲，如電壓模式控制、電流模式控制和恒定導通時間（COT）控制。然后再詳細介紹零延遲 PWM（ZDP）控制，并用實例來展示 ZDP 相比于傳統控制方法的具體優勢。

傳統控制方法

01 電壓控制模式

電壓模式控制是最簡單的控制方法之一，如圖 1 所示。

圖1：電壓模式控制

這種控制方法首先將反饋電壓與參考電壓之間的差異（VREF- VFB）放大來生成誤差信號（通常為補償電壓）；然后將該誤差信號與電壓斜坡進行比較，以生成功率級的占空比。

電壓模式控制需要高 ESR 電容或 Type III 補償網絡來穩定系統。其控制增益也與輸入電壓（VIN）成正比，這會導致交叉頻率隨 VIN的變化而變化。為了避免這種情況，斜坡電壓需要與 VIN成正比。

02 峰值電流模式控制

峰值電流模式控制是汽車電源最常用的控制方法之一，如圖 2所示。

圖2：峰值電流模式控制

與電壓模式控制類似，VREF- VFB差值被放大以產生誤差信號。但峰值電流模式控制將該誤差信號與電感電流（IL）進行比較，后者通常通過鏡像 MOSFET、采樣電阻或無損電流采樣電路進行采樣。

通常，峰值電流模式拓撲還包含一個斜率補償信號，以消除 Buck 電路占空比超過 50% 時產生的次諧波震蕩。將測得的 IL合并到環路中可以降低補償的復雜性，并且僅需要 Type II 補償。這同時消除了控制增益對 VIN的影響；也就是說，交叉頻率在整個 VIN范圍內能夠保持相對恒定。

但在峰值電流模式拓撲中，電流信號在開關轉換期間并不穩定。一旦上管 MOSFET（HS-FET）導通，PWM 比較器需要短時間的消隱。相比電壓模式控制、傳統 COT 或 ZDP，這會導致更長的最小導通時間（tON_MIN）。

MPS 采用峰值電流模式控制的產品包括：MPQ2167、MPQ4436、MPQ4323 和 MPQ4430。

03 傳統恒定導通時間（COT）控制

高性能應用常采用傳統 COT 控制來改善瞬態性能，如圖 3 所示。

圖3：傳統COT控制

傳統 COT 控制會直接比較 VFB與 VREF 以觸發導通脈沖，但它要求反饋信號紋波與 IL同相。實現二者同相的方法包括輸出電容 ESR、跨電感放置的斜坡注入電路或內部生成的合成斜坡。當 VFB 降至低于 VREF或誤差信號時，將生成導通時間脈沖，并饋入柵極驅動器。在大瞬變期間生成的連續導通時間脈沖具備內部最小關斷時間，可快速恢復輸出電壓 （VOUT）。因此，相比電壓模式控制和電流模式控制，COT 控制改善了負載瞬態響應。

為了優化比較器造成的輸出電壓的偏移，可以增加誤差放大器去提高輸出電壓精度。

負載瞬態響應期間可能會出現連續的導通時間脈沖，這將導致 fSW在操作期間暫時升高。對比較關注 EMI 性能的應用而言（例如嚴格要求 EMI 性能以降低系統串擾的工業或汽車電子產品），這會帶來問題。

MPS 采用 COT 控制的產品包括：MPQ2179、MPQ2172和 MPQ3431A。

零延遲 PWM 控制（ZDP）架構

零延遲 PWM（ZDP） 控制可實現媲美傳統 COT 控制的負載瞬態性能，而且采用固定頻率方案，如圖 4所示。

圖4：零延遲 PWM （ZDP） 控制

與傳統 COT 相比，ZDP 通過 EA 得到穩定的輸出電壓，同時又將 FB 信號引入到環路控制里，提高了負載變化的響應速度。這條路徑可快速改變驅動 HS-FET 和下管 MOSFET （LS-FET） 的占空比，無需另外調節斜坡大小，即可補償 VOUT 的波動。例如，當 VOUT因大負載瞬變而降低時，占空比會在下一個導通周期內增加，以便為輸出電容供電，從而恢復 VOUT。在這個過程中，ZDP 無需調節fSW（見圖 5）。

圖 5：傳統 COT 控制與 ZDP 的比較

ZDP 控制通過誤差放大器（VREF-VFB）產生誤差信號。該信號與 AC 耦合電流信號和斜率補償斜坡相加。然后將求和信號與 VFB進行比較，并饋入使用固定頻率時鐘作為復位信號的 PWM 鎖存塊。ZDP 環路穩定性可通過 Type II 補償實現；與 Type III 補償相比，ZDP 節省了設計周期時間。

ZDP 還實現了谷值電流檢測。與峰值電流模式控制不同，使用 ZDP 檢測谷值電流不需要對上管采樣增加消隱時間，它可以在 LS-FET 導通時對電流進行采樣，所以ZDP可以實現更小的 tON_MIN。因為 VIN:VOUT比率更大、fSW更高，器件能夠以更低的占空比運行。

MPS 采用 ZDP 控制的產品包括：MPQ4340、MPQ4371 和 MPQ2286。

仿真結果(1)

圖 6 顯示了 MPQ4340 的負載瞬態仿真結果。

圖6：MPQ4340 負載瞬態響應

其中 PWM- 為反饋信號；PWM+ 是補償信號、AC 耦合電流采樣和斜率補償的總和；HSG 為高端柵極啟動信號。可以看到，在經歷輸出負載從 0A 變為 4A 引起的下沖和輕微低頻過沖之后，VOUT 迅速恢復。VOUT恢復過程始終與 PWM- 成正比。一旦 PWM+ 超過 PWM-，HSG 就會導通（見圖 7）。

圖7：HSG 在 MPQ4340 負載瞬態響應期間的導通

一旦 VOUT下降，HSG 脈沖寬度就會增加，以向輸出提供更多能量，并在負載階躍后校正 VOUT。圖 8 顯示了負載增加后占空比的變化；與此同時，fSW仍保持恒定。

圖 8：MPQ4340 負載瞬態響應期間的占空比變化

圖 8 中的綠色跡線表示 HSG（如圖 6 、圖 7 所示）的占空比（以 % 為單位）。占空比在幾個開關周期內從 27% 增加到 35%，以減少由負載增加引起的 VOUT壓降，從而使 VOUT快速恢復。圖 8 中的藍色跡線表示，在整個負載瞬態變化期間，恒定 fSW（2.2MHz）下的 HSG。通過生成模擬波特圖，我們可以觀察該控制方法的穩定性（見圖 9）。

圖9：MPQ4340 波特圖

其相位裕度和增益裕度優于大多數的設計目標。交叉頻率約為 63kHz。由于采用了快速路徑，大信號瞬態響應優于 63kHz 交叉頻率的預期響應。但如我們在傳統 COT 控制中常見的一樣，與傳統峰值電流模式控制器件的波特圖比較并不能精確地反映負載瞬態響應的改善。

（1）測試條件：

VIN= 12V，VOUT= 3.3V，50A/μs 時 0A 至 4A 負載階躍，fSW= 2.2MHz，L = 1μH，COUT= 2 x 22μF，模擬電容電壓降額，在 MPQ4340 上進行測試。

零延遲 PWM（ZDP）控制優勢

與其他固定頻率控制方法（例如電壓模式控制和峰值電流模式控制）相比，零延遲 PWM （ZDP）控制快速路徑可以顯著改善瞬態響應。

圖 10 顯示了 ZDP 控制（MPQ4340）和峰值電流模式控制（MPQ4430）之間的 0A 至 3.5A 負載瞬態響應比較。MPQ4340和MPQ4430具有相同的電感、電容和 fSW。

圖10：ZDP 與峰值電流模式控制的負載瞬變比較

上圖的波形顯示了MPQ4430的 523mVPK-PK負載瞬態和MPQ4340的 170mVPK-PK負載瞬態。可以看出，MPQ4340的瞬態響應明顯優于MPQ4430，這讓用戶可以在使用更少輸出電容的同時改善瞬態性能。

谷值電流可以實現非常短的 tON_MIN。盡管采用峰值電流模式控制的器件 tON_MIN已經可以很低（介于 60ns 和 100ns 之間），但MPQ4340的最長tON_MIN也僅為 35ns。因此，MPQ4340可以將擴展汽車電池電壓（高達 18V）直接轉換為 1.8V，同時可在高于 AM 的頻段上切換，并提供頻譜擴展 （FSS）調制。

固定頻率則使 ZDP 具備出色的頻率穩定性。采用 ZDP 控制的器件（例如MPQ4340）還能與外部時鐘同步或提供頻譜擴展（FSS）調制。ZDP 非常適合汽車等 EMC 要求苛刻的應用。

結語

與傳統的峰值電流模式控制相比，零延遲 PWM （ZDP） 控制提高了負載瞬態性能，同時還能在負載瞬變期間保持固定頻率。固定頻率是 ZDP 與傳統 COT 控制的主要區別，后者具有波動的 fSW。

ZDP 還具有更短的 tON_MIN，這讓器件可用于需要高 fSW和低占空比的應用。

通過對 MPS 采用 ZDP 控制的產品進行仿真和硬件測試，以上優勢均已得到驗證。

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