更高的靈活性可改進(jìn)單片降壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

　　許多老版本的單片降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器都集成了片上反饋環(huán)路補(bǔ)償電路。盡管這種方法可以簡化設(shè)計(jì)過程，但它通常并不支持對環(huán)路動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。因此就需要選擇合適的功率元件以滿足相應(yīng)的反饋要求(通常并非最理想的方式)。例如，特定穩(wěn)壓器可能要求用戶在給定的范圍內(nèi)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(bǔ)償器的雙零點(diǎn)位置。這樣做雖然能夠獲得穩(wěn)定環(huán)路，但是無法達(dá)到最適合功率通道要求。解決這一問題的方法是用外部由用戶選擇的環(huán)路補(bǔ)償。但是，對于新手來講，這可能會帶來問題，因?yàn)槠浞答伃h(huán)路是很難進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。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(tǒng)，從而大大簡化了環(huán)路補(bǔ)償任務(wù)。然而，難遂人愿的是，電流模式控制技術(shù)也并非萬能，噪聲敏感度就是困擾它的一個(gè)主要問題。

　
圖1  ECM工作原理圖

　　最近我們成功開發(fā)出一個(gè)被稱為模擬電流模式控制 (ECM) 的電流模式控制版本。它大大增強(qiáng)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(dá)75V，因此 ECM 在很多高輸入電壓應(yīng)用場合都具有顯著的設(shè)計(jì)裕量，同時(shí)它還能夠產(chǎn)生當(dāng)今數(shù)字電路所使用的各種輸出電壓。環(huán)路補(bǔ)償也相對簡單，從用戶角度講，現(xiàn)有輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)一步使設(shè)計(jì)工作量變得微不足道。

傳統(tǒng)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(fù)雜的數(shù)學(xué)來解釋電流模式控制的工作機(jī)理。但是筆者始終認(rèn)為，如果你不得不借助數(shù)學(xué)來解釋某件事物，本身就表明你并不理解它。因此讓我們嘗試用一種簡單和直觀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(zhuǎn)化成電流源，然后從誤差放大器得到它的指令電流水平。誤差放大器觀察輸出電壓，根據(jù)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(dāng)電流到達(dá)期望水平時(shí)關(guān)閉高端場效應(yīng)管(控制FET)。從輸出濾波器(由并聯(lián)的電容和負(fù)載電阻構(gòu)成)的角度看，電感類似于一個(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?yàn)檩敵鯮C濾波器是一個(gè)單階系統(tǒng)，控制信號到輸出小信號響應(yīng)的傳遞函數(shù)(也稱作受控增益)也是單階的。這使得系統(tǒng)很容易到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

　
圖3  大負(fù)載的階躍性能

ECM

　　大多數(shù)傳統(tǒng)電流模式穩(wěn)壓器通過觀察控制FET的通態(tài)電流來測量電感電流。但是，在重新開啟控制FET之前，ECM首先測量續(xù)流二極管中的電流(圖1)。然后該信息被采樣保持電路(受穩(wěn)壓器的時(shí)鐘控制)捕捉。二極管的電流信息被保持，接著控制FET打開。然后小電流源開始對斜坡電容充電，所選取的斜坡電容值與電感值成正比。充電電流被設(shè)計(jì)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(dāng)斜坡電壓與以前采樣電流的測量結(jié)果相加時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)梯形波，它完全類似于控制FET的電流波形，其中去掉了所有常見的非理想因素。這使 ECM 能夠精確控制很窄的導(dǎo)通脈沖。對要求大步降率的穩(wěn)壓器來講，這是一個(gè)非常有用的特性。但是仍然存在一個(gè)問題，比如，小信號表現(xiàn)是否符合電流模式穩(wěn)壓器的實(shí)際狀況？圖2的測量圖表說明，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(gòu)，最終用戶具有很大的靈活性，可以享受簡化補(bǔ)償所帶來的便利。這里可以使用簡單的主極點(diǎn)補(bǔ)償方法(單極點(diǎn)大概位于300Hz 處)。只需要通過簡單的RC補(bǔ)償，設(shè)計(jì)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(gòu)非常寬松，才使得環(huán)路設(shè)計(jì)的簡化成為可能。

ECM 的實(shí)際應(yīng)用

　　SIMPLE SWITCHER降壓穩(wěn)壓器中的LM5576系列充分發(fā)揮了簡化補(bǔ)償所帶來的優(yōu)勢，并且使環(huán)路補(bǔ)償可以自由控制。這與SIMPLE SWITCHER穩(wěn)壓器的先前版本不同，后者完全依賴于內(nèi)部由原廠設(shè)定的增益特性。當(dāng)然，為了充分利用環(huán)路增益的靈活性，工作頻率也應(yīng)該是靈活可變的。這讓用戶能夠在效率、尺寸和動態(tài)性能之間做出性能權(quán)衡。比如，如果需要出色的動態(tài)性能但卻不太關(guān)心效率問題，設(shè)計(jì)師可以選擇使控制器運(yùn)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(yīng)。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(yīng)用，設(shè)計(jì)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，動態(tài)性能將會降低。但是，不管是上述哪種情況，設(shè)計(jì)師都可以根據(jù)選中的LC濾波器元件和時(shí)鐘頻率對環(huán)路進(jìn)行調(diào)整。對于驅(qū)動大動態(tài)負(fù)載的系統(tǒng)來講，更快的控制環(huán)路可以減少輸出電容器的數(shù)量，從而降低整個(gè)設(shè)計(jì)的成本。

　　為了最大限度減輕用戶的設(shè)計(jì)任務(wù)，還可以利用全自動的專家系統(tǒng)(被稱為WEBENCH)對整個(gè)穩(wěn)壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)。該專家系統(tǒng)能夠生成穩(wěn)定的設(shè)計(jì)和期望的功能。但是，此軟件并沒有智能到可以單獨(dú)將穩(wěn)壓器的動態(tài)性能發(fā)揮到極至的地步。因此還是需要一些用戶的參與，盡管對于大多數(shù)應(yīng)用場合這并不必要。但是對于控制環(huán)路需要更高帶寬的應(yīng)用來講，用戶能夠選擇調(diào)整補(bǔ)償。我們可以觀察瞬態(tài)仿真的結(jié)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(diào)整補(bǔ)償(軟件選擇)以改進(jìn)環(huán)路的動態(tài)性能。用戶能夠自由地改變環(huán)路帶寬，甚至使其超過特定頻率，在該頻率下系統(tǒng)的高頻極點(diǎn)開始在傳輸函數(shù)中顯現(xiàn)。因此，以相位裕度的微降為代價(jià)，將帶寬設(shè)置得大一些，可以大幅度提高瞬態(tài)性能。

　　這里并沒有因?yàn)橐弓h(huán)路穩(wěn)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，對于簡單的單片穩(wěn)壓器而言，大負(fù)載的階躍性能已經(jīng)非常出色了。