降壓開關(guān)電源設計過程中如何選擇控制技術(shù)

降壓開關(guān)電源的設計過程非常簡單，從最初的規(guī)格說明出發(fā)，為設計選擇合適的“核心電路”，再配置一些外部元件，最 后仿真和驗證以完成設計方案。但是目前有很多種控制技術(shù)，如何做出合適的決定很具挑戰(zhàn)性。為了選擇更合適的控制器或調(diào)節(jié)器，必須進行深入的研究。

　　經(jīng)典的PWM控制技術(shù)

　　最常見的控制器采用經(jīng)典的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 技術(shù)，利用內(nèi)部時鐘引導每個工作周期的開始，使主MOSFET導通。通過比較控制電壓 (Vc) 和鋸齒波電壓幅度(Vp)，能夠?qū)﹃P(guān)閉時間進行定時，如圖1所示。

　　圖1 電壓模式降壓穩(wěn)壓器的基本架構(gòu)

　　鋸齒波有三種不同的生成方式，與之對應的是電壓模式、電壓型前饋控制和電流模式這三種控制技術(shù)。

　　電壓模式：經(jīng)典

　　控制器內(nèi)部產(chǎn)生一個恒定的鋸齒波，它具有恒定的電壓幅度。

　　電壓模式避免了電流模式斜率補償所帶來的復雜度增加，不容易受噪聲影響，而且通常檢測輸出電流所需的消隱時間更短。環(huán)路增益和帶寬也隨著輸入電壓的增加而增大。

　　因為簡單，電壓模式廣泛使用在低輸出電流的應用中，此時輸入線路相對穩(wěn)定，具有比較慢的線路瞬態(tài)變化。

　　調(diào)制器和功率級的增益如下：

(1)
　這里，Rc是輸出電容的ESR，是輸出負載的阻抗;L和C分別是輸出濾波器的電感和電容值，調(diào)節(jié)器的環(huán)路增益H(s)表示成：

(2)

　　調(diào)制器和功率級的增益直接跟隨輸入電壓(Vin)的增加而增加。和頻率相關(guān)的項是LC網(wǎng)絡的傳輸函數(shù)。該網(wǎng)絡具有電感和輸出電容所引入的雙重極點，同時還具有一個零點，該零點由輸出電容C和它的ESR造成。

　　電壓型前饋控制

　　鋸齒波的斜率隨輸入電壓變化，而且消除了輸入電壓變化導致的環(huán)路增益和帶寬的可變性。電壓型前饋控制避免了公式(1)和(2)對輸入電壓的依賴。

　　線路瞬態(tài)響應也有所改善，這是由于調(diào)節(jié)器在輸出電壓發(fā)生變化之前(輸入電壓的變化所致)就改變了占空比。電壓型前饋控制所帶來的另一個好處在于可以在輸入電壓的整個變化范圍內(nèi)優(yōu)化環(huán)路增益。

　　電流模式：傳統(tǒng)而且高性能

　　電流模式并沒有使用恒定的鋸齒波來控制占空比，而是采用了輸出電感電流所產(chǎn)生的鋸齒波(見圖2)。電流檢測放大器通過測量主MOSFET導 通時的電流來檢測電感電流。添加了固定的校正斜坡，從而消除了占空比大于50%所帶來的次諧波振蕩問題。在開關(guān)周期的開始階段，開關(guān)打開，Rs和電流檢測放大器檢測電感電流。然后把電流檢測信號加到校正斜坡中，當這兩個波形的和超過Vc時，比較器的輸出變低，關(guān)閉輸出開關(guān)。在電流模式技術(shù)中，調(diào)制器、輸出開關(guān)和電感的工作原理類似于跨導放大器，給輸出提供一個經(jīng)過調(diào)節(jié)的電流。結(jié)果，由于屬于基本的電壓模式控制，該級的增益不受Vin的變化影響。但是，該級的增益將隨負載阻抗發(fā)生變化。

　　圖2 電流模式降壓穩(wěn)壓器的基本架構(gòu)(LM5642)

　　電流模式控制具備以下一些優(yōu)點，例如：并行連接的相位之間存在著更好的電流共享，L-C輸出濾波器的單極點帶來了較好的頻率補償，具有精確的逐周期電流限制以及對輸入干擾不敏感等。

　　如果我們對傳統(tǒng)電流模式控制器的補償級進行深入研究，會發(fā)現(xiàn)調(diào)制器和功率級的增益如下：

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