電源管理之對(duì)降壓調(diào)整器的高降壓比率進(jìn)行控制

許多較老的單片降壓型開關(guān)調(diào)整器采用了片上反饋環(huán)路補(bǔ)償。盡管這有助于實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)流程，但是，它通常不容許對(duì)環(huán)路動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行最優(yōu)化。結(jié)果就是需要選擇功率路徑元器件以適應(yīng)反饋環(huán)路的要求，一般來(lái)說，這是達(dá)不到最優(yōu)化的安排。例如，給定的調(diào)整器可能要求用戶在給定的范圍內(nèi)選擇電感器以及輸出電容器，以確保在反饋補(bǔ)償電路具有雙零點(diǎn)的位置出現(xiàn)LC雙極點(diǎn)頻率。雖然你可能獲得一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)路，但是，你可能不具備滿足電源路徑要求的、接近理想的數(shù)值。

解決方案就是依賴于外部由用戶選擇的環(huán)路補(bǔ)償。然而，那對(duì)于新的用戶可能會(huì)存在一些問題。反饋環(huán)路被認(rèn)為是難以補(bǔ)償?shù)?在上世紀(jì)80年代，最初引入的一種創(chuàng)新就是采用電流模式控制。那個(gè)控制配置把輸出濾波器的階數(shù)降低了1階，由一階濾波器系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而極大地簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)任務(wù)。然而，電流模式控制并不是像最初希望的那樣是萬(wàn)能藥。噪聲靈敏度就是一個(gè)主要問題。

最新開發(fā)的電流模式控制的版本被稱為仿真電流模式控制(ECM)，它極大地改善了以非常高的降壓比率工作的能力，與此同時(shí)，維持良好的抗噪聲特性。因此，對(duì)于輸入電壓額定值高達(dá)75V的情況，有可能在許多高輸入電壓應(yīng)用中擁有很大的設(shè)計(jì)裕量，與此同時(shí)，仍然能夠產(chǎn)生當(dāng)今數(shù)字電路所采用的那種輸出電壓。環(huán)路補(bǔ)償成為了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，而現(xiàn)成的軟件能夠使設(shè)計(jì)從用戶的觀點(diǎn)看幾乎是微不足道的事情。

傳統(tǒng)的電流模式基礎(chǔ)

那么，首先要掌握電流模式控制是如何工作的?人們一直企圖采用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式來(lái)解釋電流模式控制的工作原理。然而，有些網(wǎng)友認(rèn)為，如果必須采用數(shù)學(xué)方法來(lái)解釋某事，那就是因?yàn)槟悴涣私馑Ｒ虼?，讓我們看看，我們能否開發(fā)一種簡(jiǎn)單的直覺方法來(lái)理解電流模式控制。

基本概念就是把電源級(jí)轉(zhuǎn)換為一個(gè)電流源，其受控電流的水平由一個(gè)誤差放大器控制。誤差放大器監(jiān)測(cè)輸出電壓，并根據(jù)輸出電壓與其理想值之間的偏差來(lái)控制電流?？刂齐姼须娏鞯某Ｒ姺椒ň褪菧y(cè)量該電流并當(dāng)這一電流達(dá)到期望電流值時(shí)關(guān)閉高邊FET(控制FET)。

從輸出濾波器—由一個(gè)跟負(fù)載電阻并聯(lián)連接的電容組成—的觀點(diǎn)來(lái)看，電感器的構(gòu)成就像一個(gè)可編程電流源。在誤差放大器輸出中的任何小的信號(hào)偏差將導(dǎo)致通過電感器的小的信號(hào)電流變化。這些小的信號(hào)電流變化流過輸出濾波器網(wǎng)絡(luò)的阻抗，從而導(dǎo)致輸出上電壓的微小變化。因?yàn)檩敵鯮C濾波器是一階系統(tǒng)，對(duì)輸出小信號(hào)響應(yīng)的控制(也稱為安置增益)也是一階的。因此，系統(tǒng)非常易于進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

ECM基礎(chǔ)

大多數(shù)傳統(tǒng)的電流模式調(diào)整器通過監(jiān)測(cè)控制FET的開態(tài)電流—ECM—來(lái)測(cè)量電感器的電流，另一方面，剛好在再次打開控制FET之前測(cè)量捕獲二極管中的電流。這一信息然后由采樣和保持電路捕獲，而采樣和保持電路由調(diào)整器的板上時(shí)鐘進(jìn)行門控。

二極管的電流信息被保持，然后，控制FET被打開。接著，小電流源開始為斜坡電容充電，其容值已經(jīng)被選為正比于電感器的數(shù)值。充電電流被編程為正比于輸入-輸出的電壓差。正因?yàn)槿绱?，在這個(gè)電容上產(chǎn)生的斜坡電壓具有正比于電感器電流斜坡的斜率。

圖1：仿真電流模式控制方框圖。

當(dāng)斜坡電壓接著被疊加至以前采樣下來(lái)的電流測(cè)量值之上，結(jié)果得到一個(gè)看起來(lái)很像控制FET的電流波形的梯形波形，減去所有常見的非理想特性。這就賦予ECM精確地控制非常窄脈沖的開關(guān)的能力，這是大降壓比率調(diào)整器非常需要的一種特性。然而，問題依然存在，小信號(hào)的行為仍然是電流模式調(diào)整器所期望的那樣嗎?實(shí)際上，下面的測(cè)量繪圖表明，顯然就是所期望的那樣。