【導讀】許多較老的單片降壓型開(kāi)關(guān)調整器采用了片上反饋環(huán)路補償。盡管這有助于實(shí)現非常簡(jiǎn)單的設計流程，但是，它通常不容許對環(huán)路動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行最優(yōu)化。電源管理之如何對降壓調整器的高降壓比率進(jìn)行控制，今天就跟大家總結一下一些具體的解決方案，希望對大家有點(diǎn)幫助。
采用了片上反饋環(huán)路補償，結果就是需要選擇功率路徑元器件以適應反饋環(huán)路的要求，一般來(lái)說(shuō)，這是達不到最優(yōu)化的安排。例如，給定的調整器可能要求用戶(hù)在給定的范圍內選擇電感器以及輸出電容器，以確保在反饋補償電路具有雙零點(diǎn)的位置出現LC雙極點(diǎn)頻率。雖然你可能獲得一個(gè)穩定的環(huán)路，但是，你可能不具備滿(mǎn)足電源路徑要求的、接近理想的數值。
解決方案就是依賴(lài)于外部由用戶(hù)選擇的環(huán)路補償。然而，那對于新的用戶(hù)可能會(huì )存在一些問(wèn)題。反饋環(huán)路被認為是難以補償的!在上世紀80年代，最初引入的一種創(chuàng )新就是采用電流模式控制。那個(gè)控制配置把輸出濾波器的階數降低了1階，由一階濾波器系統來(lái)實(shí)現，從而極大地簡(jiǎn)化了環(huán)路補償的設計任務(wù)。然而，電流模式控制并不是像最初希望的那樣是萬(wàn)能藥。噪聲靈敏度就是一個(gè)主要問(wèn)題。
最新開(kāi)發(fā)的電流模式控制的版本被稱(chēng)為仿真電流模式控制(ECM)，它極大地改善了以非常高的降壓比率工作的能力，與此同時(shí)，維持良好的抗噪聲特性。因此，對于輸入電壓額定值高達75V的情況，有可能在許多高輸入電壓應用中擁有很大的設計裕量，與此同時(shí)，仍然能夠產(chǎn)生當今數字電路所采用的那種輸出電壓。環(huán)路補償成為了一種相對簡(jiǎn)單的設計，而現成的軟件能夠使設計從用戶(hù)的觀(guān)點(diǎn)看幾乎是微不足道的事情。
傳統的電流模式基礎
那么，首先要掌握電流模式控制是如何工作的?人們一直企圖采用復雜的數學(xué)公式來(lái)解釋電流模式控制的工作原理。然而，有些網(wǎng)友認為，如果必須采用數學(xué)方法來(lái)解釋某事，那就是因為你不了解它。因此，讓我們看看，我們能否開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單的直覺(jué)方法來(lái)理解電流模式控制。
基本概念就是把電源級轉換為一個(gè)電流源，其受控電流的水平由一個(gè)誤差放大器控制。誤差放大器監測輸出電壓，并根據輸出電壓與其理想值之間的偏差來(lái)控制電流�？刂齐姼须娏鞯某Ｒ�(jiàn)方法就是測量該電流并當這一電流達到期望電流值時(shí)關(guān)閉高邊FET(控制FET)。
從輸出濾波器—由一個(gè)跟負載電阻并聯(lián)連接的電容組成—的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，電感器的構成就像一個(gè)可編程電流源。在誤差放大器輸出中的任何小的信號偏差將導致通過(guò)電感器的小的信號電流變化。這些小的信號電流變化流過(guò)輸出濾波器網(wǎng)絡(luò )的阻抗，從而導致輸出上電壓的微小變化。因為輸出RC濾波器是一階系統，對輸出小信號響應的控制(也稱(chēng)為安置增益)也是一階的。因此，系統非常易于進(jìn)入穩定狀態(tài)。 ECM基礎
大多數傳統的電流模式調整器通過(guò)監測控制FET的開(kāi)態(tài)電流—ECM—來(lái)測量電感器的電流，另一方面，剛好在再次打開(kāi)控制FET之前測量捕獲二極管中的電流。這一信息然后由采樣和保持電路捕獲，而采樣和保持電路由調整器的板上時(shí)鐘進(jìn)行門(mén)控。
二極管的電流信息被保持，然后，控制FET被打開(kāi)。接著(zhù)，小電流源開(kāi)始為斜坡電容充電，其容值已經(jīng)被選為正比于電感器的數值。充電電流被編程為正比于輸入-輸出的電壓差。正因為如此，在這個(gè)電容上產(chǎn)生的斜坡電壓具有正比于電感器電流斜坡的斜率。
圖1：仿真電流模式控制方框圖。
當斜坡電壓接著(zhù)被疊加至以前采樣下來(lái)的電流測量值之上，結果得到一個(gè)看起來(lái)很像控制FET的電流波形的梯形波形，減去所有常見(jiàn)的非理想特性。這就賦予ECM精確地控制非常窄脈沖的開(kāi)關(guān)的能力，這是大降壓比率調整器非常需要的一種特性。然而，問(wèn)題依然存在，小信號的行為仍然是電流模式調整器所期望的那樣嗎?實(shí)際上，下面的測量繪圖表明，顯然就是所期望的那樣。
圖2：ECM信號行為圖。
利用干凈的、具有寬工作范圍的、單極點(diǎn)控制架構，最終用戶(hù)擁有利用這種便于補償的特點(diǎn)的靈活性，這一點(diǎn)是有趣的。用戶(hù)可以采用大約在300Hz的一個(gè)零點(diǎn)來(lái)實(shí)現非常簡(jiǎn)單的、顯性的極點(diǎn)補償。該設計容許從1KHz遠至30KHz之間的某個(gè)頻點(diǎn)出現交叉頻率，因為這是簡(jiǎn)單的RC補償。正是該控制架構的寬容特性才得以維持環(huán)路設計的簡(jiǎn)單性。 把ECM降低至切合實(shí)際
LM5576家族的SIMPLE SWITCHER降壓調整器就是利用這種簡(jiǎn)便的補償特性，通過(guò)可達到的環(huán)路補償把一定程度的控制能力返回給用戶(hù)，相比之下，以前版本的SIMPLE SWITCHER調整器完全依賴(lài)于內部的、工廠(chǎng)預先編程的增益特性。
當然，為了真正利用環(huán)路增益的靈活性，工作頻率也應該是靈活的。這就容許用戶(hù)在效率、解決方案的尺寸以及動(dòng)態(tài)性能之間做出性能折中。例如，如果用戶(hù)要求極佳的動(dòng)態(tài)性能，而效率卻是次要考慮，那么，設計工程師可以選擇運行在比較高的時(shí)鐘頻率，因此，把LC濾波器中存儲的能量最小化，并容許得到更好的瞬態(tài)響應。
相反，對于以加大一些電路板空間來(lái)獲得最優(yōu)化效率的應用，用戶(hù)可以選擇較低的時(shí)鐘頻率，相關(guān)的LC濾波器就較大。歸因于濾波器單元中存儲的較大能量，動(dòng)態(tài)性能會(huì )被打折。然而，在任何一種情形下，環(huán)路可以方便地針對選定的LC濾波器元器件以及時(shí)鐘頻率進(jìn)行裁剪。對于具有很大級別的動(dòng)態(tài)加載的系統，較快的控制環(huán)路準許減小輸出電容，因此，節省了整個(gè)設計的成本。
為了努力最小化用戶(hù)部分的設計工作量，整個(gè)調整器可以采用完全自動(dòng)化的、著(zhù)名的專(zhuān)家系統WEBENCH來(lái)設計。該軟件將生成確實(shí)穩定且達到預期功能的各種設計。然而，該軟件尚未智能到自己就足以把調整器的動(dòng)態(tài)性能設計為最佳，那還需要少量的用戶(hù)介入。對于大多數應用來(lái)說(shuō)，那是不必要的。
然而，對于那些在控制環(huán)路中需要少許額外帶寬的情形來(lái)說(shuō)，用戶(hù)可以選擇調節補償。各種瞬態(tài)仿真的結果可以被觀(guān)察到，就像觀(guān)察整個(gè)環(huán)路增益的波特圖一樣，而由軟件選擇的補償可以被調節，以努力改善環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能。用戶(hù)可以自由地把環(huán)路帶寬推至遠遠高于工廠(chǎng)在傳輸函數中開(kāi)始顯示的高頻率極點(diǎn)，因此，在稍微犧牲相位裕量的情況下，可以擴展環(huán)路帶寬，而瞬態(tài)動(dòng)態(tài)性能得到了充分的改善。
為了迫使環(huán)路進(jìn)入穩定狀態(tài)，對于電感器以及輸出電容的數值基本上沒(méi)有限制。在下面的例子中，開(kāi)關(guān)頻率被提高至500KHz，從而容許電感器的數值為15uH，而電容器的數值為220uF。與簡(jiǎn)單的、單片電路調整器相比，結果得到了一個(gè)看起來(lái)相當好的大負載階躍響應特性。
圖3：大負載階躍響應的實(shí)例。 |
