更高的靈活性可改進(jìn)單片降壓穩壓器設計

　　許多老版本的單片降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器都集成了片上反饋環(huán)路補償電路。盡管這種方法可以簡(jiǎn)化設計過(guò)程，但它通常并不支持對環(huán)路動(dòng)態(tài)響應進(jìn)行優(yōu)化。因此就需要選擇合適的功率元件以滿(mǎn)足相應的反饋要求(通常并非最理想的方式)。例如，特定穩壓器可能要求用戶(hù)在給定的范圍內選擇電感和輸出電容值，從而使LC雙極點(diǎn)頻率處于反饋補償器的雙零點(diǎn)位置。這樣做雖然能夠獲得穩定環(huán)路，但是無(wú)法達到最適合功率通道要求。解決這一問(wèn)題的方法是用外部由用戶(hù)選擇的環(huán)路補償。但是，對于新手來(lái)講，這可能會(huì )帶來(lái)問(wèn)題，因為其反饋環(huán)路是很難進(jìn)行補償的。于是，電流模式控制作為一種創(chuàng )新技術(shù)最初于80年代被提出。這種控制方案將輸出濾波器降低了一階，使其成為一階系統，從而大大簡(jiǎn)化了環(huán)路補償任務(wù)。然而，難遂人愿的是，電流模式控制技術(shù)也并非萬(wàn)能，噪聲敏感度就是困擾它的一個(gè)主要問(wèn)題。

　
圖1  ECM工作原理圖

　　最近我們成功開(kāi)發(fā)出一個(gè)被稱(chēng)為模擬電流模式控制 (ECM) 的電流模式控制版本。它大大增強了高步降率情況下的性能，同時(shí)具有良好的噪聲抑制特性。由于輸入電壓范圍高達75V，因此 ECM 在很多高輸入電壓應用場(chǎng)合都具有顯著(zhù)的設計裕量，同時(shí)它還能夠產(chǎn)生當今數字電路所使用的各種輸出電壓。環(huán)路補償也相對簡(jiǎn)單，從用戶(hù)角度講，現有輔助設計軟件進(jìn)一步使設計工作量變得微不足道。

傳統的電流模式

　　那么，電流模式控制是如何工作的呢？很多人試圖用復雜的數學(xué)來(lái)解釋電流模式控制的工作機理。但是筆者始終認為，如果你不得不借助數學(xué)來(lái)解釋某件事物，本身就表明你并不理解它。因此讓我們嘗試用一種簡(jiǎn)單和直觀(guān)的方法去理解電流模式控制技術(shù)。

　
圖2  測量圖

　　電流模式的基本原理是：首先將功率級轉化成電流源，然后從誤差放大器得到它的指令電流水平。誤差放大器觀(guān)察輸出電壓，根據輸出電壓與理想值的偏差改變電流指令。通?？刂齐姼须娏鞯姆椒ㄊ菧y量電流，當電流到達期望水平時(shí)關(guān)閉高端場(chǎng)效應管(控制FET)。從輸出濾波器(由并聯(lián)的電容和負載電阻構成)的角度看，電感類(lèi)似于一個(gè)受控電流源。誤差放大器輸出的任何小信號偏差將產(chǎn)生一個(gè)流經(jīng)電感的小信號電流偏差。這些小信號電流偏差流經(jīng)輸出濾波器網(wǎng)絡(luò )的電阻，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)小信號電壓偏差。因為輸出RC濾波器是一個(gè)單階系統，控制信號到輸出小信號響應的傳遞函數(也稱(chēng)作受控增益)也是單階的。這使得系統很容易到達穩定狀態(tài)。

　
圖3  大負載的階躍性能

ECM

　　大多數傳統電流模式穩壓器通過(guò)觀(guān)察控制FET的通態(tài)電流來(lái)測量電感電流。但是，在重新開(kāi)啟控制FET之前，ECM首先測量續流二極管中的電流(圖1)。然后該信息被采樣保持電路(受穩壓器的時(shí)鐘控制)捕捉。二極管的電流信息被保持，接著(zhù)控制FET打開(kāi)。然后小電流源開(kāi)始對斜坡電容充電，所選取的斜坡電容值與電感值成正比。充電電流被設計為與輸入輸出電壓差成比例。因此，斜坡電容所獲得的斜坡電壓斜率和電感電流的斜率呈正比關(guān)系。

　　當斜坡電壓與以前采樣電流的測量結果相加時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)梯形波，它完全類(lèi)似于控制FET的電流波形，其中去掉了所有常見(jiàn)的非理想因素。這使 ECM 能夠精確控制很窄的導通脈沖。對要求大步降率的穩壓器來(lái)講，這是一個(gè)非常有用的特性。但是仍然存在一個(gè)問(wèn)題，比如，小信號表現是否符合電流模式穩壓器的實(shí)際狀況？圖2的測量圖表說(shuō)明，實(shí)際上兩者確實(shí)保持一致。

　　由于能夠獲得工作范圍更寬并且清晰的單極點(diǎn)控制架構，最終用戶(hù)具有很大的靈活性，可以享受簡(jiǎn)化補償所帶來(lái)的便利。這里可以使用簡(jiǎn)單的主極點(diǎn)補償方法(單極點(diǎn)大概位于300Hz 處)。只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的RC補償，設計方案就可以接收從1kHz 到 30kHz的交叉頻率。正是由于這種控制架構非常寬松，才使得環(huán)路設計的簡(jiǎn)化成為可能。

ECM 的實(shí)際應用

　　SIMPLE SWITCHER降壓穩壓器中的LM5576系列充分發(fā)揮了簡(jiǎn)化補償所帶來(lái)的優(yōu)勢，并且使環(huán)路補償可以自由控制。這與SIMPLE SWITCHER穩壓器的先前版本不同，后者完全依賴(lài)于內部由原廠(chǎng)設定的增益特性。當然，為了充分利用環(huán)路增益的靈活性，工作頻率也應該是靈活可變的。這讓用戶(hù)能夠在效率、尺寸和動(dòng)態(tài)性能之間做出性能權衡。比如，如果需要出色的動(dòng)態(tài)性能但卻不太關(guān)心效率問(wèn)題，設計師可以選擇使控制器運行在較快的時(shí)鐘頻率下，從而使LC濾波器的儲能最小化，因此能夠獲得更好的瞬態(tài)響應。相反，對于要求最優(yōu)效率(以板上面積的增加為代價(jià))的應用，設計師將采用較低的時(shí)鐘頻率以及較大的LC濾波器。由于濾波器元件具有較大的儲存能量，動(dòng)態(tài)性能將會(huì )降低。但是，不管是上述哪種情況，設計師都可以根據選中的LC濾波器元件和時(shí)鐘頻率對環(huán)路進(jìn)行調整。對于驅動(dòng)大動(dòng)態(tài)負載的系統來(lái)講，更快的控制環(huán)路可以減少輸出電容器的數量，從而降低整個(gè)設計的成本。

　　為了最大限度減輕用戶(hù)的設計任務(wù)，還可以利用全自動(dòng)的專(zhuān)家系統(被稱(chēng)為WEBENCH)對整個(gè)穩壓器進(jìn)行設計。該專(zhuān)家系統能夠生成穩定的設計和期望的功能。但是，此軟件并沒(méi)有智能到可以單獨將穩壓器的動(dòng)態(tài)性能發(fā)揮到極至的地步。因此還是需要一些用戶(hù)的參與，盡管對于大多數應用場(chǎng)合這并不必要。但是對于控制環(huán)路需要更高帶寬的應用來(lái)講，用戶(hù)能夠選擇調整補償。我們可以觀(guān)察瞬態(tài)仿真的結果和整個(gè)環(huán)路增益的波特圖，并且還可以看到在不斷調整補償(軟件選擇)以改進(jìn)環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能。用戶(hù)能夠自由地改變環(huán)路帶寬，甚至使其超過(guò)特定頻率，在該頻率下系統的高頻極點(diǎn)開(kāi)始在傳輸函數中顯現。因此，以相位裕度的微降為代價(jià)，將帶寬設置得大一些，可以大幅度提高瞬態(tài)性能。

　　這里并沒(méi)有因為要使環(huán)路穩定而對電感和輸出電容的取值做出基本限制。在一個(gè)具體的例子中，開(kāi)關(guān)頻率增加至500kHz，在只有一個(gè)220mF輸出電容的情況下，電感取值為15mH。從圖3中可以看到，對于簡(jiǎn)單的單片穩壓器而言，大負載的階躍性能已經(jīng)非常出色了。