利用仿紋波模式來設(shè)計低輸出電壓紋波滯后模式穩(wěn)壓器

20年前，簡單易用的集成開關(guān)穩(wěn)壓器的問世帶來了電源管理技術(shù)革命。此前，大多數(shù)的應(yīng)用都是采用線性穩(wěn)壓器作為電源電壓以及復(fù)雜的專有開關(guān)式電源。而今，美國國家半導(dǎo)體著名的Simple Switcher系列ＤＣ－ＤＣ穩(wěn)壓器已被廣泛應(yīng)用在各式各樣的設(shè)計中。在實現(xiàn)Simple Switcher電源的環(huán)路穩(wěn)定性方面，有兩個方法可以采用：一是固定的內(nèi)部補償，但這個方法會影響設(shè)計人員選擇輸出級電感器和電容器時的自由度；二是從外部作補償，這方法雖然可帶給設(shè)計人員較大的電源級元件選擇靈活性，但卻會使設(shè)計過程變得更為復(fù)雜。

一種全新的控制方式 – 仿紋波模式(ERM)現(xiàn)已應(yīng)用在Simple Switcher最新的降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)品上，可以有效的簡化電源設(shè)計。設(shè)計人員無需再擔(dān)憂穩(wěn)定性方面的問題，包括控制環(huán)路的補償和輸出紋波電壓的高低。

如何駕馭滯后模式轉(zhuǎn)換器

與電壓模式控制和電流模式控制的架構(gòu)比較，滯后模式控制無需使用補償組件。因此，從定義上看滯后模式轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路是不穩(wěn)定的。

在這種穩(wěn)壓器中，輸出電壓會被保持在兩個滯后閾值之內(nèi)。當(dāng)輸出電壓下跌至閾值以下時，一個全新的開關(guān)開啟周期便會立刻被觸發(fā)，直至到達了滯后比較器的高階閾值，那周期便會終結(jié)。這個控制方式事實上非常簡單，因為當(dāng)中無需任何的振蕩器和控制環(huán)路管理。可是，這種設(shè)計有一個缺點，就是經(jīng)常需要反饋電壓紋波來進行修正。假如采用很低等效串聯(lián)電阻(ESR)的中等尺寸電容器(例如是陶瓷類電容器)來過濾輸出電壓，輸出紋波雖然可以很低，但不可以很準確地達到滯后閾值。事實上，這些具備極低ESR的電容器所看到的電壓紋波，會被相位位移到開關(guān)節(jié)點的真正開啟和關(guān)閉時間。在一個滯后模式控制中，我們需要在開啟時加大反饋電壓，并在關(guān)閉時減少反饋電壓。這樣，我們才可從滯后比較器獲得下一個周期的正確指令信號。然而，一個極低ESR的輸出電容器會降低輸出的紋波電壓，而且掠去滯后電容器所需的紋波電壓?；谏鲜鲈?，仿紋波模式(ERM)控制應(yīng)運而生。

ERM(仿紋波模式)控制

仿紋波模式轉(zhuǎn)換器用來感測關(guān)閉期間的感應(yīng)電流，并將其中一些紋波電壓以交流電壓的形式注入到誤差放大器的輸入。這些紋波中的交流電份量帶有正確的相位，能夠為滯后模式控制產(chǎn)生出正確的開啟和關(guān)閉時間。然而，滯后比較器輸入中的交流電部份只會在滯后比較器等電路需要的地方才會出現(xiàn)，，不會出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的實際輸出電壓中。這個功能使得在滯后模式設(shè)計中可以采用非常低的ESR陶瓷輸出電容器。市場上率先出現(xiàn)的具備此類功能的產(chǎn)品是美國國家半導(dǎo)體的LM3100、LM3102和LM3103 Simple Switcher穩(wěn)壓器。圖1表示出一個設(shè)立了ERM控制的降壓穩(wěn)壓器電路，其中的仿紋波模式的實現(xiàn)利用了一個位處二極管節(jié)點和誤差放大器參考電壓之間的電容器。


圖1 采用仿紋波模式的降壓滯后穩(wěn)壓器

如何量度輸出電壓的紋波

設(shè)計低輸出電壓紋波的電源時，最重要的是事前了解真正輸出紋波電壓的大小。當(dāng)用示波器探針測量電源的輸出電壓時，會發(fā)現(xiàn)當(dāng)中有兩個交流電成份。其中一個成份通常被指是 “紋波”，它是由輸出電容器的ESR或由電容器本身的紋波所引起的輸出電壓變化。紋波中的ESR成份一般都會比來自電容的較大，不過如果采用的是陶瓷輸出電容器，那ESR的部份便會比電容的較少。圖2表示出一個采用介質(zhì)輸出電容器的降壓穩(wěn)壓器之輸出紋波電壓，在紋波電壓方面，來自ESR的影響比來自電容的較大。圖3則表示出另一個電路的輸出紋波電壓，該電路只采用一個ESR極低的陶瓷輸出電容器。圖中，大部份的紋波電壓都是來自電容而非ESR，而紋波的波形像一個正弦波，而不是如圖2般由ESR引起的電壓轉(zhuǎn)變。在兩個波形圖中，通道1是開關(guān)節(jié)點電壓，而通道2則是在交流電模式下量度出來的輸出電壓。



圖2 采用了較高ESR輸出電容器后的輸出紋波波形