開(kāi)關(guān)電源的建模和環(huán)路補償設計（下）

用電壓模式控制閉合反饋環(huán)路

輸出電壓可以由閉合的反饋環(huán)路系統調節。例如，在圖 12 中，當輸出電壓 VOUT上升時(shí)，反饋電壓 VFB上升，負反饋誤差放大器的輸出下降，因此占空比 d 下降。結果，VOUT被拉低，以使 VFB= VREF。誤差運算放大器的補償網(wǎng)絡(luò )可以是 I 型、II 型或 III 型反饋放大器網(wǎng)絡(luò )。只有一個(gè)控制環(huán)路調節 VOUT。這種控制方法稱(chēng)為電壓模式控制。凌力爾特公司的 LTC3861 和 LTC3882就是典型的電壓模式降壓型控制器。

圖 12：具閉合電壓反饋環(huán)路的電壓模式降壓型轉換器方框圖

為了優(yōu)化電壓模式 PWM 轉換器，如圖 13 所示，通常需要一種復雜的 III 型補償網(wǎng)絡(luò )，以憑借充足的相位裕度設計一個(gè)快速環(huán)路。如等式 7 和圖 14 所示，這種補償網(wǎng)絡(luò )在頻率域有 3 個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)：低頻積分極點(diǎn) (1/s) 提供高的 DC 增益，以最大限度減小 DC 調節誤差，兩個(gè)零點(diǎn)放置在系統諧振頻率 f0附近，以補償由功率級的 L 和 C 引起的 –180° 相位延遲，在 fESR處放置第一個(gè)高頻極點(diǎn)，以消除 COUTESR 零點(diǎn)，第二個(gè)高頻極點(diǎn)放置在想要的帶寬 fC以外，以衰減反饋環(huán)路中的開(kāi)關(guān)噪聲。III 型補償相當復雜，因為這種補償需要 6 個(gè) R/C 值。找到這些值的最佳組合是個(gè)非常耗時(shí)的任務(wù)。

圖 13：用于電壓模式轉換器的 III 型反饋補償網(wǎng)絡(luò )

圖 14：III 型補償 A(s) 提供 3 個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，以實(shí)現最佳的總體環(huán)路增益 TV(s)

為了簡(jiǎn)化和自動(dòng)化開(kāi)關(guān)模式電源設計，凌力爾特開(kāi)發(fā)了 LTpowerCAD 設計工具。這工具使環(huán)路補償設計任務(wù)變得簡(jiǎn)單多了。LTpowerCAD 是一款可在 www.linear.com.cn/LTpowerCAD 免費下載的設計工具。該軟件幫助用戶(hù)選擇電源解決方案、設計功率級組件以及優(yōu)化電源效率和環(huán)路補償。如圖 15 例子所示，就給定的凌力爾特電壓模式控制器而言 (例如 LTC3861)，其環(huán)路參數可用該設計工具建模。對于一個(gè)給定的功率級，用戶(hù)可以確定極點(diǎn)和零點(diǎn)位置 (頻率)，然后按照該軟件的指導，帶入真實(shí)的 R/C 值，實(shí)時(shí)檢查總體環(huán)路增益和負載瞬態(tài)性能。之后，設計方案還可以輸出到一個(gè) LTspice 仿真電路上，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

(a) LTpowerCAD 功率級設計頁(yè)面

(b) LTpowerCAD 環(huán)路補償和負載瞬態(tài)設計頁(yè)面

圖 15：LTpowerCAD 設計工具減輕了電壓模式轉換器 III 型環(huán)路設計的負擔

為電流模式控制增加電流環(huán)路

單一環(huán)路電壓模式控制受到一些限制。這種模式需要相當復雜的 III 型補償網(wǎng)絡(luò )。環(huán)路性能可能隨輸出電容器參數及寄生性變化而出現大幅改化，尤其是電容器 ESR 和 PCB 走線(xiàn)阻抗。一個(gè)可靠的電源還需要快速過(guò)流保護，這就需要一種快速電流檢測方法和快速保護比較器。對于需要很多相位并聯(lián)的大電流解決方案而言，還需要一個(gè)額外的電流均分網(wǎng)絡(luò ) / 環(huán)路。

給電壓模式轉換器增加一個(gè)內部電流檢測通路和反饋環(huán)路，使其變成一個(gè)電流模式控制的轉換器。圖 16 和 17 顯示了典型峰值電流模式降壓型轉換器及其工作方式。內部時(shí)鐘接通頂端的控制 FET。之后，只要所檢測的峰值電感器電流信號達到放大器 ITH 引腳電壓 VC，頂端的 FET 就斷開(kāi)。從概念上來(lái)看，電流環(huán)路使電感器成為一個(gè)受控電流源。因此，具閉合電流環(huán)路的功率級變成了 1 階系統，而不是具 L/C 諧振的 2 階系統。結果，功率級極點(diǎn)引起的相位滯后從 180° 減少為約 90°。相位延遲減少使補償外部電壓環(huán)路變得容易多了。相位延遲減少還降低了電源對輸出電容器或電感變化的敏感度，如圖 18 所示。