開關(guān)電源的建模和環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)(1)：小信號(hào)建模的基本概念和方法(二)

圖 16：具內(nèi)部電流環(huán)路和外部電壓反饋環(huán)路的電流模式轉(zhuǎn)換器方框圖

圖 17：峰值電流模式控制信號(hào)波形

圖 18：具閉合電流環(huán)路的新功率級(jí)轉(zhuǎn)移函數(shù) GCV(s)

電感器電流信號(hào)可以直接用一個(gè)附加的 RSENSE檢測(cè)，或者間接地通過電感器繞組 DCR 或 FET RDS(ON)檢測(cè)。電流模式控制還提供其他幾項(xiàng)重要的好處。如圖 17 所示，既然電感器電流以逐周期方式、通過放大器輸出電壓檢測(cè)和限制，那么系統(tǒng)在過載或電感器電流飽和時(shí)，就能夠更準(zhǔn)確和更快速地限制電流。在加電或輸入電壓瞬態(tài)時(shí)，電感器浪涌電流也受到了嚴(yán)格控制。當(dāng)多個(gè)轉(zhuǎn)換器 / 相位并聯(lián)時(shí)，通過將放大器 ITH 引腳連到一起，憑借電流模式控制，可以在多個(gè)電源之間非常容易地均分電流，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可靠的多項(xiàng) (PolyPhase) 設(shè)計(jì)。典型電流模式控制器包括凌力爾特公司的 LTC3851A、LTC3833 和 LTC3855 等。

峰值與谷值電流模式控制方法

圖 16 和 17 所示的電流模式控制方法是峰值電感器電流模式控制。轉(zhuǎn)換器以固定開關(guān)頻率 fSW工作，從而非常容易實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步和相位交錯(cuò)，尤其是對(duì)于并聯(lián)轉(zhuǎn)換器。然而，如果在控制 FET 柵極關(guān)斷后，緊接著就發(fā)生負(fù)載升壓瞬態(tài)，那么轉(zhuǎn)換器就必須等待一段時(shí)間，這段時(shí)間等于 FET 斷開時(shí)間 TOFF，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期響應(yīng)該瞬態(tài)為止。這個(gè) TOFF 延遲通常不是問題，但是對(duì)于一個(gè)真正的快速瞬態(tài)系統(tǒng)，它卻很重要。此外，控制 FET 的最短接通時(shí)間 (TON_min) 不可能非常短，因?yàn)殡娏鞅容^器需要噪聲消隱時(shí)間以避免錯(cuò)誤觸發(fā)。對(duì)于高 VIN/VOUT 降壓比應(yīng)用而言，這限制了最高開關(guān)頻率 fSW。此外，峰值電流模式控制還需要一定的斜率補(bǔ)償，以在占空比超過 50% 時(shí)保持電流環(huán)路穩(wěn)定。對(duì)于凌力爾特公司的控制器而言，這不是個(gè)問題。凌力爾特的控制器通常有內(nèi)置自適應(yīng)斜率補(bǔ)償，以在整個(gè)占空比范圍內(nèi)確保電流環(huán)路穩(wěn)定性。LTC3851A 和 LTC3855 是典型的峰值電流模式控制器。

谷值電流模式控制器產(chǎn)生受控 FET 接通時(shí)間，并一直等待直到電感器谷值電流達(dá)到其谷值限制 (VITH)以才再次接通控制 FET。因此，電源可以在控制 FET 的 TOFF 時(shí)間響應(yīng)負(fù)載升高瞬態(tài)。此外，既然接通時(shí)間是固定的，那么控制 FET 的 TON_min可以比峰值電流模式控制時(shí)短，以允許更高的 fSW，實(shí)現(xiàn)高降壓比應(yīng)用。谷值電流模式控制不需要額外的斜率補(bǔ)償就能實(shí)現(xiàn)電流環(huán)路穩(wěn)定性。然而，使用谷值電流模式控制時(shí)，因?yàn)樵试S開關(guān)周期 TS 變化，所以在示波器上，開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形可能出現(xiàn)更大的抖動(dòng)。LTC3833 和 LTC3838 是典型的谷值電流模式控制器。

為具備閉合電流環(huán)路的新功率級(jí)建模

圖 19 顯示，通過僅將電感器作為受放大器 ITH 引腳電壓 控制的電流源，產(chǎn)生了一個(gè)簡(jiǎn)化、具內(nèi)部電流環(huán)路的降壓型轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的一階模型。類似方法也可用于其他具電感器電流模式控制的拓?fù)?。這個(gè)簡(jiǎn)單的模型有多好? 圖 20 顯示了該一階模型和一個(gè)更復(fù)雜但準(zhǔn)確的模型之間轉(zhuǎn)移函數(shù) GCV(s) = vOUT/vC的比較結(jié)果。這是一個(gè)以 500kHz 開關(guān)頻率運(yùn)行的電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器。在這個(gè)例子中，一階模型直到 10kHz 都是準(zhǔn)確的，約為開關(guān)頻率 fSW 的 1/50。之后，一階模型的相位曲線就不再準(zhǔn)確了。因此這個(gè)簡(jiǎn)化的模型僅對(duì)于帶寬較小的設(shè)計(jì)才好用。

圖 19：電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單一階模型

圖 20：電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器的一階模型和準(zhǔn)確模型之間的 GCV(s) 比較

實(shí)際上，針對(duì)電流模式轉(zhuǎn)換器，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)開發(fā)一個(gè)準(zhǔn)確的小信號(hào)模型相當(dāng)復(fù)雜。R. Ridley的電流模式模型 [3] 在電源行業(yè)是最流行的一種模型，用于峰值電流模式和谷值電流模式控制。最近，Jian Li 為電流模式控制開發(fā)了一種更加直觀的電路模型 [4]，該模型也可用于其他電流模式控制方法。為了簡(jiǎn)便易用，LTpowerCAD 設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)了這些準(zhǔn)確模型，因此，即使一位經(jīng)驗(yàn)不足的用戶，對(duì) Ridley 或 Jian Li 的模型沒有太多了解，也可以非常容易地設(shè)計(jì)一個(gè)電流模式電源。