自適應導通時(shí)間降壓電路的虛擬ESR環(huán)路設計

1 引言

自適應導通時(shí)間的降壓電路(AOT)由于其快速的動(dòng)態(tài)相應、簡(jiǎn)便的設計、低成本的整體方案等優(yōu)勢，贏(yíng)得了越來(lái)越多在消費電子、PC主板供電、要求快速動(dòng)態(tài)相應以及低成本領(lǐng)域的應用。為了適應更小的整體電源方案以及更小的輸出電壓紋波，陶瓷電容成了必然的選擇。由于A(yíng)OT工作原理的限制，不能由電解電容、固態(tài)電容直接替換成陶瓷電容。所以，必須加一個(gè)虛擬ESR電路，生成與電感電流同相位的紋波電壓，來(lái)穩定系統，實(shí)現AOT的工作。

2 AOT工作的原理

圖1所示是一個(gè)準固定頻率(pseudo-fix frequency)的自適應固定導通時(shí)間的buck轉換器簡(jiǎn)單示意圖。輸出電容Cout的ESR產(chǎn)生輸出電壓紋波，這個(gè)電壓紋波被用來(lái)作為PWM產(chǎn)生的依據。當輸出紋波往下跌落觸發(fā)到反饋參考電壓(FB Threshold)的時(shí)候，上管Q1開(kāi)通。 開(kāi)通的時(shí)間是由內部一個(gè)計時(shí)器(one-shot timer)來(lái)控制的。 當這個(gè)計時(shí)器被輸出紋波所觸發(fā)的時(shí)候，芯片就送出一個(gè)導通(on-time)脈沖來(lái)開(kāi)啟上管Q1。這個(gè)脈沖的周期和輸入電壓成反比而和輸出電壓成正比。

顯然，當使用陶瓷電容作為輸出電容的時(shí)候，ESR很小，在ESR上產(chǎn)生的紋波電壓遠小于電容充放電的紋波電壓。電容充放電的紋波電壓落后ESR上紋波電壓90度，用這個(gè)反饋電壓來(lái)控制系統，是沒(méi)有辦法正常工作的。

圖 1 AOT電路的示意

3 虛擬ESR電路

RL，CL和Cc構成虛擬ESR電路，如圖2所示。通過(guò)參數設計調整，讓CL上的電壓與電感電流同向，從而虛擬一個(gè)輸出電容的ESR電壓。再通過(guò)Cc去掉直流成分，把ESR電壓的交流成分加到回饋的直流電壓上。這就虛擬出一個(gè)具有高ESR輸出電容的紋波情況，保證AOT能正常工作。

圖2 虛擬ESR電路

4 虛擬ESR電路分析

回饋到FB的交流電壓有2個(gè)成分，一個(gè)是電感電流引入的回饋量，一個(gè)是輸出電壓回路引入的回饋量。下面的分析中將不考慮輸出電容的寄生電感影響，因為這個(gè)寄生電感的影響是瞬態(tài)的，并且對相位不產(chǎn)生影響。

如圖3所示，電感電流引入的交流回饋量為fb1，由式(1)計算。

(1)

其中：Fs—工作頻率;VL_select 是CL兩端的電壓，可以由式(2)得到：

(2)

IL_ripple是電感L中的電流紋波，可以由BUCK電路的基本DC模型得到。

圖 3 電感電流引入的回饋通路圖