便攜式消費類(lèi)電子產(chǎn)品的深入發(fā)展對電源的要求越來(lái)越高，電流模DC—DC轉換器具有輸入范圍寬、轉化效率高、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于智能手機，PDA等便攜式電子產(chǎn)品中。由于這些移動(dòng)設備的功能的不斷豐富，要求負載電流的動(dòng)態(tài)范圍也越來(lái)越大，這就對供電電源的穩定性提出了更高的要求。
近年來(lái)，許多改善電流模DC—DC瞬態(tài)響應方案被提出。例如文獻提出在補償電路引入新的零點(diǎn)和極點(diǎn)來(lái)抵消控制環(huán)路的零極點(diǎn)。雖然文中的轉換器獲得了足夠的相位裕度，但這種設想并沒(méi)有得到實(shí)驗的驗證。文獻提出了一種針對線(xiàn)性穩壓器的零極點(diǎn)跟蹤頻率補償，但由于控制策略不同，這種方法并不適合脈沖寬度調制（PWM）的控制環(huán)路。文獻提出了一種數字控制方案，但設計芯片的模數轉換部分開(kāi)銷(xiāo)較大。本文在分析電流模Buck型DC—DC環(huán)路穩定性的基礎上提出了一種新穎的控制策略。用采樣電路采樣電感電流，將所得值與一系列基準電壓進(jìn)行比較，所得比較結果控制誤差放大器輸出級和補償電阻。這樣就實(shí)現了系統的主極點(diǎn)和主零點(diǎn)動(dòng)態(tài)地隨負載電流調整。
1電流模Buck型DC—DC環(huán)路穩定性分析
從圖1中Buck型DC—DC的拓撲結構來(lái)看，輸入電壓Vin到輸出電壓Vout之間經(jīng)歷了一個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò )。假設電感和電容是理想情況，得出該濾波網(wǎng)絡(luò )的傳輸函數
由等式（2）可見(jiàn)LC濾波網(wǎng)絡(luò )存在共軛雙極點(diǎn)。小信號時(shí)，電流流經(jīng)該濾波器會(huì )在共軛雙極點(diǎn)處發(fā)生180°相移，從而導致系統振蕩。
DC—DC控制方式分為電壓模和電流模兩種。電壓�？刂品绞竭m用于高頻系統中，抗噪性好。但電壓�？刂品绞降娜秉c(diǎn)是環(huán)路補償復雜，且系統的瞬態(tài)響應差。電流�？刂品绞绞窃谠妷嚎刂骗h(huán)的基礎上添加了一個(gè)電流控制環(huán)，實(shí)現雙環(huán)控制。用采樣電路對電感電流進(jìn)行峰值采樣，將采樣的結果與誤差放大器的補償端進(jìn)行比較，比較結果用于調節開(kāi)關(guān)信號的占空比，實(shí)現系統穩定的輸出。由于調整信號沒(méi)有經(jīng)過(guò)LC濾波器，避免了LC濾波器的共軛雙極點(diǎn)帶來(lái)的困擾。
通過(guò)對圖1進(jìn)行小信號建模得出，在忽略輸出電容寄生效應的前提下，要使系統輸出穩定，必須在補償模塊中出現一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，其中極點(diǎn)盡可能靠近原點(diǎn)，零點(diǎn)用于補償位于輸出級的極點(diǎn)，從而使整個(gè)系統成為一個(gè)穩定的單極點(diǎn)系統。圖2所示的由誤差放大器和電阻電容組成的補償網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現這一要求。圖2（b）為圖2（a）的小信號模型。
其中，r0為誤差放大器的輸出阻抗;RCCc為補償電阻和補償電容;AV為運放開(kāi)環(huán)增益。添加補償網(wǎng)絡(luò )后，系統的頻率響應曲線(xiàn)如圖3所示。誤差放大器將ωp1往前推，作為主極點(diǎn)。同時(shí)引入了一個(gè)零點(diǎn)ωz，補償了位于次主極點(diǎn)損失的相位裕度，使系統成為一個(gè)穩定的單極點(diǎn)系統。ωp2為位于輸出端的次主極點(diǎn)。由負載電阻和輸出電阻決定。
2改進(jìn)的誤差放大器設計
在電流模Buck型DC—DC系統中，誤差放大器作為反饋回路檢測輸出負載變化的信息，并反映到系統中去。從式（4）得到誤差放大器的輸出阻抗，確定系統主極點(diǎn)的位置，從而得出環(huán)路的瞬態(tài)響應。
當要求系統的負載電流變化范圍較大且較快速時(shí)，通常設置的零極點(diǎn)由于不能隨著(zhù)負載電流的變化而做出調整，使系統的帶寬被限定在某一固定值，從而影響系統的瞬態(tài)響應。設想如果系統的零極點(diǎn)位置隨著(zhù)負載電流的變化而動(dòng)態(tài)調整時(shí)，系統的相位裕度就會(huì )較固定，從而改善系統在負載電流變化情況下的瞬態(tài)響應。 |
