降壓開關電源設計過程中如何選擇控制技術

(3)

　　這里，Ri是電流檢測增益:Ri=Ai·Rs (4)

　　D’是關工作周期:D’=1-D (5)

　　斜波補償因子表示為:

(6)

　　其中，Se是校正斜坡的斜率， Sn是檢測到的電流波形的斜率。

(7)

　　阻尼因子表示為：

(8)

　　公式(3)中的第一項表明增益是負載阻抗RL和電流檢測增益Ri的函數(shù)。第二項給出了斜波補償項。當校正斜坡斜率Se大于電流波形的正斜率Sn時，斜波補償因子Mc充分增加，從而對增益進行衰減。

　　第三項給出了起決定作用的低頻特性。它具有一個由輸出電容的ESR引入的零點，以及單極點wp，該極點的數(shù)值由輸出電容和負載阻抗決定。

　　第四項包含兩個位于開關頻率一半處的極點。這些極點的峰值受阻尼因子Qp控制，而阻尼因子又進一步受校正斜坡控制。如果斜坡太小，這些極點將使調(diào)節(jié)器的環(huán)路增益到達最高點，如果占空比大于50%，在一半開關頻率處的環(huán)路增益將超過0dB。這將導致電流模式控制發(fā)生次諧波振蕩。

　　電流模式控制最主要的弱點在于，難以測量具有小占空比的電流。這種測量方式易受噪聲影響，并且調(diào)制有時可能會不穩(wěn)定。

　　磁滯控制技術：簡單快速

　另一個可能的方案是磁滯控制技術(見圖3)。調(diào)制器就是一個具備內(nèi)置輸入磁滯(幾毫伏)的比較器，用于比較反饋電壓和參考電壓。當反饋電壓大于參考電壓半個磁滯電壓時，比較器的輸出變低，關閉開關。開關將一直保持關閉狀態(tài)，直到反饋電壓跌到比參考電壓低半個磁滯電壓為止。

　　圖3 磁滯降壓穩(wěn)壓器的基本架構(LM3485)

　　這種拓撲結(jié)構可以對負載瞬態(tài)變化做出極快的響應，非常簡單而且不需要頻率補償。

　　這種方案的主要問題在于開關頻率不是由振蕩器設定，不恒定而且依賴于很多變量。開關頻率很大程度上依賴于元件參數(shù)和工作條件的變化。輸入電壓、負載電流、電感值和輸出電容(特別是它的等效串聯(lián)電阻ESR)都對開關頻率有很大影響。

　　這種控制DC電壓的技術優(yōu)點在于簡單的控制環(huán)路。很容易使控制器穩(wěn)定。

　　控制環(huán)路不僅穩(wěn)定而且響應非常迅速(響應延遲僅為90ns)。與大占空比(達到100%)特性相結(jié)合，可以產(chǎn)生非常迅速的瞬態(tài)響應。與競爭的調(diào)節(jié)器架構(PWM電流模式或電壓模式)相比，它更具有優(yōu)勢。

　　由于開關頻率不是由可控振蕩器設定，它將隨不同的外部元件和輸入電壓的變化而發(fā)生變化。如果在特定應用中要求開關頻率固定，將很難找到合適的設計方案。

　　恒定開啟時間的磁滯控制技術

　　如上所述，磁滯控制技術具備一些有趣的優(yōu)勢，唯一的問題在于開關頻率不可預測。

　　如果在一個傳統(tǒng)的磁滯控制技術中，加入與輸入電壓成反比的單次觸發(fā)開啟時間，開關頻率就會保持相對恒定。可以應用于任意降壓調(diào)節(jié)器(工作在連續(xù)導通模式)的基本降壓調(diào)節(jié)器公式定義了降壓開關的占空比D。

　　D=Vout/Vin =Ton·Fs (9)

　　其中，Ton是開啟時間， Fs 是工作頻率。

　　如果把開啟時間設定成與輸入電壓Vin成反比。

　　Ton=K·Ron/Vin (10)

　　其中，K是常數(shù)，Ron是可編程電阻，把公式(10)中的Ton代入到公式(9)中，解出Fs 。

　　Fs =Vout/(K·Ron) (11)

　　既然Vout、 K和Ron都是常數(shù)，工作頻率也將是常數(shù)。實際上，真實的工作頻率將會變化大約10%，這由單次觸發(fā)的非線性、傳播延遲和非理想的開關壓降造成。

　　通過以上討論可以看到，該技術使整個系統(tǒng)解決方案的成本大大降低。由于不存在環(huán)路補償或穩(wěn)定性問題，這種概念很容易實現(xiàn)。同時，由于電路不 需要反饋元件(會限制帶寬)，瞬態(tài)響應將會非常迅速。正是由于上述因素，這種概念把PWM固定頻率原理和磁滯模式的很多優(yōu)點結(jié)合到了一種解決方案中。