在恒定導(dǎo)通時(shí)間(COT)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中控制輸出紋波并獲得ESR非相關(guān)性(07-100)

　　介紹

　　在所有設(shè)計(jì)過(guò)的電壓穩(wěn)壓器控制策略中，遲滯穩(wěn)壓器可能是最簡(jiǎn)單的。當(dāng)輸出電壓低于設(shè)定電壓時(shí)，這種控制方法簡(jiǎn)單地將開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，當(dāng)輸出電壓上升至略高于設(shè)定電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉。輸出紋波電壓因此成為上下邊界參考閾值電壓之差－遲滯幅度的直接函數(shù)。很難想象還有更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu), 通常, 簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)會(huì)直接伴隨著性能的下降。

　　遲滯結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率隨著輸出電壓變化也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的改變。改善該現(xiàn)象的方法稱之為恒定導(dǎo)通時(shí)間控制(COT)，它在僅稍微增加復(fù)雜度的條件下能夠提供極佳的頻率控制性能。在信號(hào)路徑中加入單觸發(fā)定時(shí)器。單觸發(fā)的周期是輸入電壓的反比例函數(shù)。導(dǎo)通時(shí)間的編程僅需要在輸入電壓Vin處添加一個(gè)電阻。 透過(guò)表面現(xiàn)象我們可以發(fā)現(xiàn)，它仍然是一個(gè)遲滯控制電路，而且它仍然需要在反饋引腳處施加一個(gè)紋波電壓。該方案可以去除上邊界閾值，取而代之的是可編程導(dǎo)通時(shí)間。但是下邊界閾值仍然需要輸出電壓具有足夠的紋波，從而能夠從中辨別出輸出下降的開(kāi)啟點(diǎn)。

　　遺憾的是，這里所得到的紋波分量會(huì)比通常預(yù)期的更大，如果都使用陶瓷輸出電容，主開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的時(shí)序關(guān)系將會(huì)產(chǎn)生90度的相移。 下面介紹的精選電路可以解決這些問(wèn)題，該電路在僅稍微增加電路復(fù)雜程度的情況下，不僅完全保證了ESR非相關(guān)性，同時(shí)還能產(chǎn)生極低的輸出紋波。

　　圖1為完整的LM5010A應(yīng)用電路。該電路中使用的技巧同樣也適用于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司其它的恒定導(dǎo)通時(shí)間穩(wěn)壓器系列，包括LM5007、LM5008和LM5009, 以及至少在原理上采用純遲滯設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。 一些最新推出的器件例如LM3100則內(nèi)部集成了這里所描述的方法，從而實(shí)現(xiàn)了ESR非相關(guān)性。 對(duì)以下電路進(jìn)行配置，當(dāng)輸入電壓范圍在15V至75V之間時(shí)，在1.25A負(fù)載上產(chǎn)生10V標(biāo)稱輸出電壓。大多數(shù)的測(cè)試都采用30V輸入電壓。

　　請(qǐng)注意在圖1中采用可編程電阻R3的導(dǎo)通定時(shí)模塊。該電阻通過(guò)確定基于輸入電壓的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)設(shè)定工作頻率。調(diào)節(jié)比較器通過(guò)R1和R2組成的反饋分壓器來(lái)觀察輸出電壓。只要輸出電容C6具有足夠的ESR，在開(kāi)關(guān)頻率處表現(xiàn)出電阻性，該電路就可以正確地工作。具有大約1.5歐姆ESR的鋁質(zhì)電解電容完全可以勝任。

　　LM5010A對(duì)三角形輸出紋波的底部電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，在反饋分壓器處所觀察到2.5V的標(biāo)稱電壓。 當(dāng)輸出電壓Vout下降至反饋端FB低于該電平時(shí)，啟動(dòng)可編程導(dǎo)通時(shí)間，從而迫使輸出電壓提高，并使FB引腳電壓稍高于2.5V。該過(guò)程循回往復(fù)。因此可編程導(dǎo)通時(shí)間可以控制開(kāi)關(guān)頻率和輸出紋波。設(shè)定較長(zhǎng)的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)降低開(kāi)關(guān)頻率并增加輸出紋波，反之亦然。如果將輸出電容制作得非常大，會(huì)伴隨著ESR的等比例降低，會(huì)有極少的以輸出紋波形式出現(xiàn)的信號(hào)，由于反饋信號(hào)的低信噪比，電路將會(huì)變得對(duì)噪聲相當(dāng)敏感。 如果使用一個(gè)ESR非常低的陶瓷電容，也會(huì)產(chǎn)生類似的問(wèn)題，這是由于較低的信號(hào)幅值以及得到的信息會(huì)產(chǎn)生90度的相移。

　　當(dāng)采用22μF的陶瓷輸出電容與1.5歐姆的電阻進(jìn)行串聯(lián)時(shí)，采集得到圖2波形。 可以看出該電路提供了有限的以及控制良好的ESR。開(kāi)關(guān)非常穩(wěn)定，工作表現(xiàn)良好，但在10V輸出時(shí)有峰峰值約為500mV的紋波。