電壓和電流模式PWM信號產(chǎn)生的直流－直流開關(guān)調(diào)節(jié)器控制

開關(guān)DC至DC電壓轉(zhuǎn)換器(“調(diào)節(jié)器”)包括兩個元件：一個控制器和一個功率級。功率級采用了開關(guān)元件和將輸入電壓為所需的輸出。控制器監(jiān)督的開關(guān)操作以調(diào)節(jié)輸出電壓。兩者是通過一個反饋回路，與所需的輸出來導(dǎo)出誤差電壓進(jìn)行比較的實(shí)際輸出電壓相連。控制器是關(guān)鍵到電源的穩(wěn)定性和精確度，以及幾乎所有的設(shè)計(jì)采用了脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)來調(diào)節(jié)。有生成的PWM信號的兩個主要方法：電壓模式控制和電流模式控制。電壓模式控制是先，但是它的缺點(diǎn) - 如緩慢響應(yīng)負(fù)載變化和環(huán)路增益，與輸入電壓改變 - 鼓勵工程師開發(fā)替代基于電流的方法。如今，工程師們可以從廣泛使用兩種控制技術(shù)的電源模塊選擇。這些產(chǎn)品采用的技術(shù)克服了前代的重大缺陷。本文介紹了電壓和電流模式控制技術(shù)的PWM信號產(chǎn)生的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，并解釋了每個應(yīng)用程序最適合。

電壓模式控制

設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)建設(shè)的電源可以建立由分立元件的單位(見技術(shù)專區(qū)的文章“DC / DC穩(wěn)壓器：如何選擇之間通過分立和模塊化設(shè)計(jì)”)集成，獨(dú)立的控制器和功率組件，或電源模塊兩個元件集成到一個芯片。但任何設(shè)計(jì)技術(shù)時(shí)，存在的可能性高，監(jiān)管將采用的(典型的)的固定頻率的PWM技術(shù)。 (甲恒定開關(guān)頻率是希望的，因?yàn)樗拗屏擞呻娫串a(chǎn)生的電磁干擾(EMI)。)在電壓模式控制調(diào)節(jié)器中，PWM信號由施加控制電壓(VC)的一個比較器的輸入和一個產(chǎn)生鋸齒波電壓(Vramp而使)(或“PWM斜坡”)固定頻率的，由時(shí)鐘產(chǎn)生，到另一個(圖1)。

圖1：PWM發(fā)生器的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。 (禮貌：德州儀器)，PWM信號的占空比成比例的控制電壓，并確定開關(guān)元件導(dǎo)通，因此，反過來，輸出電壓(見技術(shù)專區(qū)文章的時(shí)間的百分比的“使用PFM提高開關(guān)DC / DC穩(wěn)壓器效率，在低負(fù)荷“)。該控制電壓從實(shí)際輸出電壓與所需輸出電壓(或基準(zhǔn)電壓)之間的差得到的。調(diào)制器增益Fm的被定義為導(dǎo)致占空比從0到100%(FM = D / VC = 1 / Vramp而使).1Figure 2示出了典型的開關(guān)調(diào)節(jié)器的積木去控制電壓的變化。功率級包括一個開關(guān)，二極管，電感器，變壓器(用于隔離設(shè)計(jì))，和輸入/輸出電容器。這個階段將輸入電壓(VIN)為輸出電壓(VO)。電壓調(diào)節(jié)器的控制部具有與參考電壓(等于所希望的輸出)上的一個輸入和從另一分壓器輸出一個誤差放大器。分壓器是從輸出的反饋跟蹤供給。來自誤差放大器的輸出提供控制電壓(VC或“誤差電壓”)，其形成一個輸入到PWM comparator.2

圖2：控制部分和功率級電壓模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器的。 (Microsemi公司提供)電壓模式控制的優(yōu)點(diǎn)包括：單反饋回路使設(shè)計(jì)和電路分析更加容易;使用大振幅斜坡波形穩(wěn)定的調(diào)制過程中提供良好的噪聲容限和低阻抗功率輸出多路輸出電源提供更好的交叉調(diào)整的。但該技術(shù)也具有一些顯著的缺點(diǎn)。例如，負(fù)載變化必須首先被檢測為輸出變化，然后通過反饋環(huán)路糾正 - 導(dǎo)致緩慢的響應(yīng)。輸出濾波器復(fù)雜電路補(bǔ)償，從而可以更加困難，因?yàn)椋摥h(huán)路增益隨輸入電壓而變化的事實(shí)來制備。

電流模式控制

在80年代初期，工程師們想出了解決的電壓模式控制方法的不足之處替代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器技術(shù)。稱為電流模式控制，該技術(shù)導(dǎo)出PWM斜坡通過添加第二環(huán)路反饋電感電流。該反饋信號包括兩部分：將AC紋波電流，并且DC或電感電流的平均值。所述信號的放大形式被路由到PWM比較器的一個輸入端，而誤差電壓形成的另一輸入。由于與電壓模式控制方法，該系統(tǒng)時(shí)鐘確定PWM信號頻率(圖3)。

圖3：電流模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器。此處PWM斜坡是從所述輸出電感電流產(chǎn)生的信號產(chǎn)生的。 (德州儀器公司提供)電流模式控制地址電壓模式控制的反應(yīng)慢，因?yàn)殡姼须娏魃仙c由輸入和輸出電壓之間的差確定一個斜率，因此立即響應(yīng)LINE-或負(fù)載電壓的變化。進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)是，電流模式控制消除了與電壓模式控制方法的輸入電壓缺點(diǎn)環(huán)路增益變化。此外，由于在電流模式控制電路的誤差放大器的命令的輸出電流，而不是電壓，在電路響應(yīng)輸出電感的影響最小化和補(bǔ)償更加容易。該電路還表現(xiàn)出相比電壓模式控制裝置的更高增益的帶寬。電流模式控制的其他好處包括固有脈沖由脈沖電流通過從誤差放大器夾緊命令限制性的，并簡化了負(fù)載分擔(dān)當(dāng)多個功率單元被用在平行。有一段時(shí)間，電流模式控制看著有寄售電壓模式控制歷史。不過，雖然他們采取了一會兒浮出水面，工程師們發(fā)現(xiàn)，電流模式控制穩(wěn)壓器帶來了獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。一個主要的缺點(diǎn)是電路分析是困難的，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)現(xiàn)在包括兩個反饋環(huán)路。第二個復(fù)雜問題是“內(nèi)部”控制回路(承載電感電流信號)的占空比在50%以上的不穩(wěn)定性。進(jìn)一步的挑戰(zhàn)來自于一個事實(shí)，即由于控制環(huán)路從電感器的輸出電流得到，從功率級的共振噪聲引入該內(nèi)控制loop.3限制電流模式控制調(diào)節(jié)到小于50的占空比百分之強(qiáng)加的設(shè)備的輸入電壓嚴(yán)重的局限性。幸運(yùn)的是，不穩(wěn)定性問題可以通過“注入”少量斜率補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)入內(nèi)循環(huán)來解決。這種技術(shù)是為了保證在PWM占空比的所有值穩(wěn)定運(yùn)行。斜率補(bǔ)償通過減去來自誤差放大器的輸出鋸齒電壓波形(在時(shí)鐘頻率上運(yùn)行)來實(shí)現(xiàn)的?？商娲?，補(bǔ)償斜坡電壓可以直接加在電感電流信號(圖4)。

圖4：斜率補(bǔ)償電流模式控制穩(wěn)壓器。 (德州儀器公司提供)的數(shù)學(xué)分析表明，以保證電流環(huán)路穩(wěn)定性的補(bǔ)償斜坡的斜率必須大于二分之一電流waveform.4的下降斜率的有市售許多電流模式控制調(diào)節(jié)器。 Microsemi的，例如，提供NX7102同步降壓型(“降壓”)穩(wěn)壓器，具有電流模式控制。該芯片可以接受的4.75至18伏特的輸入范圍，并提供一個可調(diào)節(jié)的輸出下降到0.925五最大輸出電流為3A和峰值效率是百分之90至95根據(jù)輸入電壓。就其本身而言，德州儀器(TI)提供了一個廣泛的電流模式控制調(diào)節(jié)器。一個例子從2.5到12 V電源的TPS63060，同步降壓/升壓型(“提升”)的2.4MHz調(diào)節(jié)提供2.5至8 V輸出(在高達(dá)1 A)。該設(shè)備提供高達(dá)93%的效率，主要針對移動應(yīng)用，例如便攜式計(jì)算機(jī)和工業(yè)計(jì)量設(shè)備。意法半導(dǎo)體還提供一系列電流模式控制設(shè)備，包括STBB2的。這是一個同步降壓/升壓2.5 MHz的穩(wěn)壓器提供要么2.9或3.4 V的輸出從2.4至5.5 V的輸入。該設(shè)備能夠提供高達(dá)800毫安90%的效率，并在球柵陣列(BGA)封裝被提供。

電壓模式死灰復(fù)燃

通過一些芯片供應(yīng)商目錄一看發(fā)現(xiàn)，電壓模式控制調(diào)節(jié)器并沒有消失。這樣做的原因是，上一代器件的關(guān)鍵缺點(diǎn)已經(jīng)解決通過使用一種叫做電壓前饋技術(shù)。電壓前饋是通過修改PWM斜坡波形的斜率與正比于輸入電壓的電壓來實(shí)現(xiàn)的。這提供了一個相應(yīng)的和校正占空比調(diào)制獨(dú)立反饋環(huán)路。該技術(shù)提高了電路響應(yīng)線路和負(fù)載瞬變，同時(shí)消除敏感的輸入濾波器的存在。電壓前饋也穩(wěn)定了環(huán)路增益，使得其不再與輸入電壓而變化。次要缺陷是一些附加的電路復(fù)雜性，因?yàn)橐粋€傳感器，以檢測輸入電壓。工程師可以從主要供應(yīng)商廣泛的電壓模式控制調(diào)節(jié)器來選擇。例如，Maxim提供在其投資組合包括MAX5073一些電壓模式控制設(shè)備。這個開關(guān)穩(wěn)壓器是一種降壓/升壓2.2 MHz器件從5.5到23伏供電電壓，并產(chǎn)生0.8至28 V的輸出在降壓模式，穩(wěn)壓器可提供高達(dá)2 A.同樣，Intersil公司提供的ISL9110A，一2.5 MHz的開關(guān)穩(wěn)壓器具有電壓模式控制。該器件在1.85.5 V的輸入電壓范圍，并提供以高達(dá)1.2 A的95%的效率3.3 V的輸出。就其本身而言，國際整流器提供的IR3891，電壓模式控制降壓型穩(wěn)壓器為1的寬輸入范圍為21 V和0.518.06 V的輸出范圍該芯片具有300千赫到1.5的開關(guān)頻率范圍兆赫，可以提供多達(dá)4個A的IR3891有兩個輸出。

技術(shù)的選擇

幾乎所有的開關(guān)電壓穩(wěn)壓器采用PWM控制的開關(guān)元件。是無論是從一個控制電壓結(jié)合在時(shí)鐘頻率為電壓模式調(diào)節(jié)器的鋸齒波形運(yùn)行(從中減去從基準(zhǔn)電壓的輸出電壓得到)產(chǎn)生，或通過添加一個第二環(huán)路反饋電感電流的PWM信號對于當(dāng)前模式的類型。通過諸如電壓前饋電壓控制設(shè)計(jì)和斜率補(bǔ)償電流模式單元使用技術(shù)現(xiàn)代設(shè)備已經(jīng)基本上克服了舊的設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)。這些創(chuàng)新的結(jié)果是，工程師有兩種類型的拓?fù)鋸V泛的選擇。電壓模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，建議寬輸入線和輸出負(fù)載變化是可能的，輕負(fù)載下(當(dāng)電流模式控制斜坡斜率就太淺薄了穩(wěn)定的PWM操作)，在嘈雜的應(yīng)用程序(在噪聲從功率級會發(fā)現(xiàn)它的方式成電流模式控制反饋回路)，并在需要具有良好的交叉調(diào)節(jié)多輸出電壓。電流模式控制設(shè)備推薦的應(yīng)用中電源輸出大電流或非常高的電壓;最快的動態(tài)響應(yīng)是需要在一個特定頻率，輸入電壓的變化受到限制，并且在應(yīng)用中的組件的成本和數(shù)量必須被最小化。關(guān)于本文中討論的部件的更多信息，請?zhí)峁┙o訪問該向Digi-Key網(wǎng)站的產(chǎn)品信息頁面的鏈接。