采用仿紋波模式輕松實(shí)現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換
Emulated Ripple Mode – easy to use step down conversion
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/89688.htm20年前,簡單易用的集成開關(guān)穩(wěn)壓器的問世帶來了電源管理技術(shù)革命。此前,大多數(shù)的應(yīng)用都是采用線性穩(wěn)壓器作為電源電壓以及復(fù)雜的專有開關(guān)式電源。而今,美國國家半導(dǎo)體著名的Simple Switcher系列DC-DC穩(wěn)壓器已被廣泛應(yīng)用在各式各樣的設(shè)計(jì)中。在實(shí)現(xiàn)Simple Switcher電源的環(huán)路穩(wěn)定性方面,有兩個(gè)方法可以采用:一是固定的內(nèi)部補(bǔ)償,但這個(gè)方法會(huì)影響設(shè)計(jì)人員選擇輸出級電感器和電容器時(shí)的自由度;二是從外部作補(bǔ)償,這方法雖然可帶給設(shè)計(jì)人員較大的電源級元件選擇靈活性,但卻會(huì)使設(shè)計(jì)過程變得更為復(fù)雜。
一種全新的控制方式 – 仿紋波模式(ERM)現(xiàn)已應(yīng)用在Simple Switcher最新的降壓穩(wěn)壓器產(chǎn)品上,可以有效的簡化電源設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員無需再擔(dān)憂穩(wěn)定性方面的問題,包括控制環(huán)路的補(bǔ)償和輸出紋波電壓的高低。
如何駕馭滯后模式轉(zhuǎn)換器
與電壓模式控制和電流模式控制的架構(gòu)比較,滯后模式控制無需使用補(bǔ)償組件。因此,從定義上看滯后模式轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路是不穩(wěn)定的。
在這種穩(wěn)壓器中,輸出電壓會(huì)被保持在兩個(gè)滯后閾值之內(nèi)。當(dāng)輸出電壓下跌至閾值以下時(shí),一個(gè)全新的開關(guān)開啟周期便會(huì)立刻被觸發(fā),直至到達(dá)了滯后比較器的高階閾值,那周期便會(huì)終結(jié)。這個(gè)控制方式事實(shí)上非常簡單,因?yàn)楫?dāng)中無需任何的振蕩器和控制環(huán)路管理??墒?,這種設(shè)計(jì)有一個(gè)缺點(diǎn),就是經(jīng)常需要反饋電壓紋波來進(jìn)行修正。假如采用很低等效串聯(lián)電阻(ESR)的中等尺寸電容器(例如是陶瓷類電容器)來過濾輸出電壓,輸出紋波雖然可以很低,但不可以很準(zhǔn)確地達(dá)到滯后閾值。事實(shí)上,這些具備極低ESR的電容器所看到的電壓紋波,會(huì)被相位位移到開關(guān)節(jié)點(diǎn)的真正開啟和關(guān)閉時(shí)間。在一個(gè)滯后模式控制中,我們需要在開啟時(shí)加大反饋電壓,并在關(guān)閉時(shí)減少反饋電壓。這樣,我們才可從滯后比較器獲得下一個(gè)周期的正確指令信號。然而,一個(gè)極低ESR的輸出電容器會(huì)降低輸出的紋波電壓,而且掠去滯后電容器所需的紋波電壓?;谏鲜鲈?,仿紋波模式(ERM)控制應(yīng)運(yùn)而生。
ERM(仿紋波模式)控制
仿紋波模式轉(zhuǎn)換器用來感測關(guān)閉期間的感應(yīng)電流,并將其中一些紋波電壓以交流電壓的形式注入到誤差放大器的輸入。這些紋波中的交流電份量帶有正確的相位,能夠?yàn)闇竽J娇刂飘a(chǎn)生出正確的開啟和關(guān)閉時(shí)間。然而,滯后比較器輸入中的交流電部份只會(huì)在滯后比較器等電路需要的地方才會(huì)出現(xiàn),,不會(huì)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出電壓中。這個(gè)功能使得在滯后模式設(shè)計(jì)中可以采用非常低的ESR陶瓷輸出電容器。市場上率先出現(xiàn)的具備此類功能的產(chǎn)品是美國國家半導(dǎo)體的LM3100、LM3102和LM3103 Simple Switcher穩(wěn)壓器。圖1表示出一個(gè)設(shè)立了ERM控制的降壓穩(wěn)壓器電路,其中的仿紋波模式的實(shí)現(xiàn)利用了一個(gè)位處二極管節(jié)點(diǎn)和誤差放大器參考電壓之間的電容器。
圖1 采用仿紋波模式的降壓滯后穩(wěn)壓器
如何量度輸出電壓的紋波
設(shè)計(jì)低輸出電壓紋波的電源時(shí),最重要的是事前了解真正輸出紋波電壓的大小。當(dāng)用示波器探針測量電源的輸出電壓時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)中有兩個(gè)交流電成份。其中一個(gè)成份通常被指是 “紋波”,它是由輸出電容器的ESR或由電容器本身的紋波所引起的輸出電壓變化。紋波中的ESR成份一般都會(huì)比來自電容的較大,不過如果采用的是陶瓷輸出電容器,那ESR的部份便會(huì)比電容的較少。圖2表示出一個(gè)采用介質(zhì)輸出電容器的降壓穩(wěn)壓器之輸出紋波電壓,在紋波電壓方面,來自ESR的影響比來自電容的較大。圖3則表示出另一個(gè)電路的輸出紋波電壓,該電路只采用一個(gè)ESR極低的陶瓷輸出電容器。圖中,大部份的紋波電壓都是來自電容而非ESR,而紋波的波形像一個(gè)正弦波,而不是如圖2般由ESR引起的電壓轉(zhuǎn)變。在兩個(gè)波形圖中,通道1是開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓,而通道2則是在交流電模式下量度出來的輸出電壓。
圖2 采用了較高ESR輸出電容器后的輸出紋波波形
圖3 采用了較低ESR輸出電容器后的輸出紋波波形
圖4表示出一個(gè)隨意的測量結(jié)果,期間沒有理會(huì)太多原本的測量設(shè)定。圖中,我們看到在開關(guān)過渡時(shí)出現(xiàn)有很大的電壓尖峰,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真正的紋波波幅,但通常不當(dāng)作是紋波電壓。在這個(gè)例子中,這些尖峰的峰峰電壓均超過1V,而這些尖峰其實(shí)是噪聲尖峰,且大部份都已被測量設(shè)定量度出來。在功率FET的過渡期間會(huì)產(chǎn)生很高的頻率,而在開關(guān)過渡時(shí),電流會(huì)在幾納秒內(nèi)來回從零切換,這時(shí)整片電源板都會(huì)感受到很大的di/dt變化。
圖4 帶有開關(guān)噪聲的輸出紋波電壓
圖5表示出LM3102評估板的測量結(jié)果,其中探針依附著輸出電壓。實(shí)現(xiàn)的方法是把探針尖夾在輸出,并將一條5英寸長的高阻抗地線夾到電路板的接地。這條相對較長的地線會(huì)作用為一條天線,把電路板的di/dt 噪聲吸收。
接著,我們進(jìn)行同樣的測量,只是移除用作天線的長地線,并用一條總線纜線纏繞著探針尖的接地,而且把它連接到一個(gè)與輸出電壓很近的接地,從而大幅地削減輸出電壓的尖峰。為了盡量縮減接地環(huán)路的尺寸,直接對設(shè)計(jì)上的輸出電容器測量也不失為一個(gè)好主意。圖6表示出把探針連到接地的測試裝置,可以消除大部份的開關(guān)噪聲。同樣的測量技巧還應(yīng)用在先前的圖2和圖3。
圖5 隨意測量裝置的較長探針與接地連接
圖6 很短的測量接地環(huán)路連接
要降低輸出電壓紋波圖中的開關(guān)尖峰,一個(gè)簡單的方法是開啟示波器的帶寬限制功能。在進(jìn)行過以上的測量后,我們應(yīng)該會(huì)對開啟帶寬限制很有信心。因?yàn)榇蟛糠菘吹降男盘柖际桥c測量有關(guān),而不是輸出電壓上的真正電壓尖峰。從圖2到圖4,示波器的帶寬限制功能都被關(guān)閉。
垂手可得的低輸出紋波電壓
利用仿紋波模式來設(shè)計(jì)低輸出電壓紋波滯后模式穩(wěn)壓器其實(shí)非常容易。因?yàn)闊o需擔(dān)憂環(huán)路補(bǔ)償?shù)膯栴},而且還可以選用陶瓷輸出電容器可有效降低輸出紋波電壓。
當(dāng)研究交流電輸出電壓時(shí),最重要是將紋波和噪聲區(qū)分。此外,所用的測量技術(shù)對讀數(shù)的解譯也非常重要。
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