ゼロ遅延PWM制御 (ZDP^TM) による車載アプリケーションの最適化

Angelo Gallardo

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図1 : ゼロ遅延PWM (ZDP^TM) 制御スキーム

従来のCOT制御の様に、ZDP^TMは フィードバックノードを直接PWMコンパレータに接続することで、エラーアンプ (EA) をバイパスし、PWMコンパレータへの高速パスを作成します。この高速パスは、ハイサイドMOSFET (HS-FET) とローサイドMOSFET (LS-FET) を駆動するデューティサイクルをすばやく変更して、補償を増減することなく、出力電圧 (V_OUT) の変動を補償します。

たとえば、 大きな負荷過渡が原因でV_OUTが低下すると、次のオンサイクル中にデューティサイクルが増加し、出力コンデンサに電力を供給してV_OUTを回復します。PWMラッチは固定周波数信号によってリセットされるので、ZDP^TMはスイッチング周波数 (f_SW) を調整なしでV_OUTを回復します。

従来のピーク電流モード制御に基づき、ZDP^TMはEAを通じて低速パスを提供し、調整精度を向上させます。スローパスはフィードバック電圧と基準電圧の差 (V_FB - V_REF) を使用してエラー信号を生成します。次にエラー信号は、AC結合電流信号およびスロープ補償ランプと結合されます。

エラー信号、AC結合電流信号、およびスロープ補償ランプの合計がV_FBと比較され、固定周波数クロックをリセット信号として使用するPWMラッチブロックに入力されます。ZDP^TMループの安定性は、タイプ2の補償でのみ達成できます。これにより、タイプ3の補償と比較して設計サイクル時間が短縮されます。

ピーク電流モード制御と比較して、ZDP^TMはそのアーキテクチャにバレー電流検知を備えインダクタ電流 (I_L) を検出します。ピーク電流モード制御は、HS-FETがオンの場合に上向き勾配のI_Lを検出し、LS-FETがオンの場合にバレー電流検知が下り勾配のI_Lを検出します。ZDP^TMによるバレー電流検知を使用すると、電流検知ブロックがピーク電流検出を制限するブランキング時間に制限されないため、より低い最小オンタイム (t_{ON_MIN}) が実現されます。これにより、ZDP^TMが12Vの車載用バッテリー電圧をシステムオンチップ (SoC) で使用される動作電源レベルに降圧するために必要な、より低いデューティサイクルとより高いf_SWで動作することが可能になります。

シミュレーション結果 ⁽¹⁾

ZDP^TMデバイスの負荷過渡応答シミュレーション結果は、そのアーキテクチャについてさらに詳しい洞察を与えます (図2参照)。

図2 : ZDP^TM負荷過渡応答のシミュレーション

シミュレーション結果は、PWMコンパレータの入力 (PWM-およびPWM+)、およびハイサイドゲート (HSG) のオンとオフをトリガーするプロセスを示しています。図1に基づき、PWM-はフィードバックから直接得られ、PWM+はI_L、スロープ補償、EA出力の合計です。PWMがPWM-を超えると、HSGがオンになり (図3参照)、ゲートドライバをリセットする固定周波数クロックによって終了します。

注 :
1) V_IN = 12V、V_OUT = 3.3V、5A/μsでの0A～4A負荷ステップ、f_SW = 2.2MHz、L = 1μH、C_OUT = 2 × 22μFで、コンデンサ電圧ディレーティングは MPQ4340-AEC1でシミュレーションおよびテストされます。

図3 : ZDP^TM負荷過渡応答中のHSGオン

V_OUTは、 負荷が0Aから4Aに増加すると、最初は低下し、それに比例してPWM-も低下します。その後、定常状態よりも長い時間、PWM+がPWM-を超えます。これにより、負荷ステップからV_OUTを補正するためにデューティサイクルが増加します。PWM+はEAをバイパスするため、f_SWを変更せずにV_OUTが変動した直後にデューティサイクルが増加します (図4参照)。

図4 : ZDP^TM負荷過渡応答中のデューティサイクル

図4の緑色のトレースは、デューティサイクル (%) を表します。数回のスイッチングサイクル内で、デューティサイクルは27%から35%に増加します。これによりV_OUTが生じ (図4の赤いトレースで表示)、安定化された3.3Vレベルにすぐに戻ります。HSG (図4の青いトレースで表示) は、f_SWは負荷過渡時に一定のままであることを確認し、ZDP^TMの固定周波数動作を実証します。

ハードウェアの結果 ⁽²⁾

MPSのデバイスのハードウェアの結果と利点を通じたZDP^TMにより、固定周波数動作時の高速負荷過渡応答が実現されます。たとえば、MPQ4340-AEC1は 同期整流式降圧コンバータで、ZDP^TM制御スキームを備えています。このコンバータは、スイッチングレギュレータが厳しいEMI環境用の固定周波数での動作を必要とするバッテリー切れ車載用アプリケーション向けに設計されています。その負荷過渡性能を図4に示します。ここで、負荷ステップによりV_OUTが降下すると、f_SWは一定に保たれ、デューティサイクルは瞬時に変化します (図5参照)。

図5 : MPQ4340-AEC1の負荷過渡応答

従来の制御スキーム (ピーク電流モード制御など) と比較すると、ZDP^TMは負荷過渡性能に優れており、ピーク電流モード制御と比較して大幅に適切な制御方式となっており、部品コストを最小限に抑えながら迅速なパフォーマンスを実現します。

これを実証するために、制御アーキテクチャが異なる2つの似た製品を比較します。図6は、ZDP^TM (MPQ4340-AEC1を使用) および従来の車載用ピーク電流モード制御デバイス間の0A～3.5Aの負荷過渡比較を示しています。両方のデバイスは、同じインダクタ、出力コンデンサの数、f_SWを使用してテストされます。

図6 : ピーク電流モード制御 vs. ZDP^TM負荷過渡応答

注 :
2) V_IN = 12V、V_OUT = 3.3V、2A/μsで0A～3.5Aの負荷ステップ、f_SW = 2.2MHz、L = 1μH、C_OUT = 2 × 22μF。MPQ4340GLE-33-AEC1と一般的な車載用ピーク電流モードデバイスを使用してテスト。

図6の負荷過渡応答の結果は、ピーク電流モード制御アーキテクチャと比較したZDP^TMアーキテクチャを使用して達成された大幅な改善を示しています。同じ負荷ステップの場合、ピーク電流モードのデバイスのV_OUT変動は523mV_PK-PKで、MPQ4340-AEC1では170mV_PK-PKでした。

また、ZDP^TMの過渡の利点により、従来の制御アーキテクチャと比較して使用する出力コンデンサの数を少なくできるため、全体的な電源ソリューションのコストも削減されます。

MPQ4340-AEC1はZDP^TMアーキテクチャの利点を活用して、20ns (標準) と最大35nsへと下げる低いt_{ON_MIN}を達成します。対照的に、ピーク電流モードのデバイスの代表的な80nsのt_{ON_MIN}を持っています。より低いt_{ON_MIN}は、ZDP^TMデバイスが 2.2MHzなどのAM帯域を上回る高いf_SWを維持しながら、車載バッテリー供給電圧 (公称動作条件下で最大18V) をSoCへの供給に適した電圧レベル (1.8Vの低さ) に降圧することを可能にします。

ZDP^TMによるMPQ4340-AEC1のEMI結果は車載アプリケーションが頻繁に遭遇する厳格なEMC環境に対する互換性を実証します。これらの結果は、ZDP^TMが周波数拡散スペクトラム拡散 (FSS) を使用すると、ソリューションが標準の入出力フィルタでEMI要件を満たせることも示しています (図7参照)。

図7 : MPQ4340-AEC1 EMI結果 ⁽³⁾

注 :
3) EMCテストの結果は、EMIフィルタを備えた体表的なアプリケーション回路に基づいています (詳細については、MPQ4340-AEC1データシートを参照)。

結論

遅延ゼロPWM制御 (ZDP^TM) は、現代の車載アプリケーションのスイッチングレギュレータ要件を最適化します。ZDP^TMを搭載した製品は、コストを最小限に抑えながら、ADASやデジタルコックピット アプリケーションのSoCに必要な高速過渡仕様を実現できます。固定周波数動作を使用することで、ZDP^TMは EMIの影響を受けやすい車載環境によく適しています。さらに、ZDP^TMのバレー電流検知機能は、 低いt_{ON_MIN}による高いf_SWで 、大きなV_IN - V_OUT比を可能にします。

MPSは、MPQ4340-AEC1とMPQ4371-AEC1などのZDP^TMを使って、車載用認定製品の堅牢製品ラインアップを提供します。

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