平均電流模式DC-DC控制器在的應(yīng)用

　　概述

　　由于汽車多媒體信息處理(如，信息娛樂(lè)產(chǎn)品)中的高性能微處理器所需的功率不斷增加，產(chǎn)生了抗干擾能力、EMI和環(huán)路補(bǔ)償?shù)戎T多設(shè)計(jì)問(wèn)題。平均電流模式控制(ACMC)有助于解決這些問(wèn)題，特別是在汽車信息娛樂(lè)應(yīng)用中。本文具體闡述了ACMC，并說(shuō)明基于電流模式控制的設(shè)計(jì)為信息娛樂(lè)應(yīng)用帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。我們以MAX5060/MAX5061為例說(shuō)明ACMC的工作原理，并對(duì)數(shù)據(jù)資料所提供的內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充。

　　定義設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　具體的汽車信息娛樂(lè)終端都會(huì)對(duì)電源管理提出一組獨(dú)特的技術(shù)、商業(yè)上的要求。最重要的設(shè)計(jì)考慮包括效率、尺寸、EMI、瞬態(tài)響應(yīng)、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。所有參數(shù)都間接地與電源的開關(guān)頻率相關(guān)，這一重要參數(shù)的選擇可以使上述要求達(dá)到合理折中。

　　ACMC的優(yōu)勢(shì)

　　對(duì)于大電流輸出(5A至25A)轉(zhuǎn)換器，在電流模式控制(CMC)技術(shù)中降低電流檢測(cè)電阻有助于提高效率。這里，CMC指帶有峰值電流檢測(cè)的固定頻率工作模式。然而，這種方式存在一個(gè)缺點(diǎn)：CMC使轉(zhuǎn)換器對(duì)噪聲非常敏感。電流較大時(shí)，即使最好的PCB布線也不能完全抑制疊加在電流檢測(cè)信號(hào)上的噪聲。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以選擇電壓模式控制VMC，這是一種傳統(tǒng)的并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)。VMC提高了抗干擾能力和轉(zhuǎn)換效率，但需要一定的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)才能達(dá)到可接受的性能指標(biāo)。

　　ACMC設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

　　ACMC技術(shù)結(jié)合了VMC的抗干擾能力和效率與CMC的穩(wěn)定性，圖1所示為ACMC降壓轉(zhuǎn)換器的功能框圖。

圖1. ACMC降壓轉(zhuǎn)換器的功能框圖。框圖中，CEA = 電流誤差放大器，CSA = 電流檢測(cè)放大器，VEA = 電壓誤差放大器。下文和圖2討論了電感電流信號(hào)iL。

　　為了更好地理解ACMC，我們首先回顧一下CMC的原理。觀察圖1，如果除去電流誤差放大器(CEA)和鋸齒波發(fā)生器，電流檢測(cè)放大器的輸出將連接到PWM比較器的反相端，電壓誤差放大器(VEA)的輸出將連接到同相端。結(jié)果形成一個(gè)控制電感電流(內(nèi)環(huán))和輸出電壓(外環(huán))的雙環(huán)系統(tǒng)。

　　如上所述，在大電流輸出應(yīng)用中，希望電流檢測(cè)電阻RS (見(jiàn)圖1)盡可能小，以降低轉(zhuǎn)換器的功耗。但這樣做的結(jié)果是將一個(gè)微弱的信號(hào)引入噪聲環(huán)境中，在系統(tǒng)中表現(xiàn)為抖動(dòng)。

　　在ACMC結(jié)構(gòu)中，電流檢測(cè)信號(hào)送入CEA (圖1)的反相輸入端，而VEA在CEA的同相輸入端調(diào)節(jié)電感電流。通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償CEA，可以完成一系列操作：調(diào)節(jié)電流檢測(cè)信號(hào)以獲得最大直流增益(對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，電感的直流電流等于轉(zhuǎn)換器的輸出電流)；使實(shí)際的電流檢測(cè)信號(hào)不受阻礙地通過(guò)放大器；最后，抑制疊加在信號(hào)上的高頻開關(guān)噪聲。CEA的高直流增益可使這種控制方案精確地控制輸出電流。而CMC對(duì)電流檢測(cè)信號(hào)的平坦增益會(huì)在輸入電壓變化時(shí)導(dǎo)致電流的峰值與均值誤差。如圖1，CEA的輸出與斜坡電壓進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)期望的PWM信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET。

圖2. 圖1的控制波形

　　圖2顯示了圖1的控制波形，注意與鋸齒波進(jìn)行比較的電感電流信號(hào)iL (紅色標(biāo)示)是反向的。PWM比較器之后的SR鎖存器可避免由噪聲引起的信號(hào)跳變。同樣，時(shí)鐘信號(hào)復(fù)位鋸齒坡電壓，從根本上消除了由于噪聲尖峰而過(guò)早關(guān)斷MOSFET的可能。這種控制架構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是當(dāng)占空比超過(guò)50%時(shí)不需要斜坡電壓補(bǔ)償，因?yàn)殇忼X坡信號(hào)已經(jīng)提供了這種補(bǔ)償。

　　對(duì)于圖1所示降壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)環(huán)用于補(bǔ)償輸入電壓的變化。隨著輸入電壓的增加，CEA電流信號(hào)的下降斜率更陡峭(圖2)，從而使占空比變窄。外環(huán)用于補(bǔ)償由負(fù)載變化引起的輸出電壓變化，由于電感電流由VEA處理，電源表現(xiàn)為一個(gè)單極點(diǎn)響應(yīng)，從而簡(jiǎn)化了電壓補(bǔ)償環(huán)路。

　　CEA補(bǔ)償非常簡(jiǎn)單，MAX5056/MAX5061數(shù)據(jù)資料提供了需要遵循的準(zhǔn)則。MAX5060/MAX5061 DC-DC轉(zhuǎn)換器可處理上述設(shè)計(jì)問(wèn)題，并且具有高效、低噪聲和高性價(jià)比特性。圖3說(shuō)明了器件中帶有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的CEA架構(gòu)，推薦使用該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的原因是CEA沒(méi)有提供到其反相輸入端的直接通路。注意：CEA是跨導(dǎo)放大器，與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比具有較高的輸出阻抗。

圖3. MAX5060/MAX5061 DC-DC轉(zhuǎn)換器推薦的CEA補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

為了優(yōu)化電流環(huán)路，電感電流iL (圖2中的紅色信號(hào))的下降斜率將跟隨鋸齒電壓的斜率，而且iL不能超過(guò)斜坡電壓，否則將會(huì)發(fā)生諧振和不穩(wěn)定。

　　忽略同步整流器的壓降，降壓轉(zhuǎn)換器的電感電流下降斜率可由下式給出：

　　

該電流流過(guò)檢流電阻RS，測(cè)量RS電壓并由CSA提供34.5倍的增益放大(見(jiàn)圖1)。如果將此乘以CEA增益GCEA，使其等于VSfS鋸齒波斜率，可得表達(dá)式：

　　

跨導(dǎo)放大器的增益定義為gMRL，將其代入GCEA并解出RL可得：

　　

MAX5060/MAX5061數(shù)據(jù)資料給出其CEA跨導(dǎo)為550μs；本例中RL為RCF，如圖3所示。該電阻設(shè)定CEA的增益，使電流環(huán)路在過(guò)零頻率處為單位增益。MAX5060/MAX5061的鋸齒波電壓VS具有2V峰值，將這些常數(shù)代入上式，可得：

　　

CEA的直流增益應(yīng)該盡可能高，以精確處理直流輸出電流。直流下，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電容相當(dāng)于開路，CEA直流增益最大。在最小過(guò)零頻率之下放置一個(gè)零點(diǎn)，并將一

個(gè)極點(diǎn)置于至少比零點(diǎn)高出10倍的位置，使電流環(huán)路在具有寬帶特性的同時(shí)可有效抑制開關(guān)噪聲。

　　零點(diǎn)和極點(diǎn)可由下式算出：

　　

為了滿足式5的極點(diǎn)頻率，必須使CCF至少比CCFF大十倍。如果這個(gè)比率不是10:1，則用CCF||CCFF替換極點(diǎn)表達(dá)式中的CCFF。注意：原點(diǎn)處有一個(gè)極點(diǎn)，可以想象，一個(gè)無(wú)窮大的阻抗出現(xiàn)在CCFF上，所需電容值可由上式解出。

　　VEA補(bǔ)償非常復(fù)雜，主要取決于性能要求。MAX5060/MAX5061數(shù)據(jù)資料給出了一個(gè)簡(jiǎn)單、實(shí)用的補(bǔ)償方法，只需采用電阻反饋網(wǎng)絡(luò)。這構(gòu)成了有源電壓定位技術(shù)的一部分，能夠在提供良好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的同時(shí)減小輸出電容。在最小負(fù)載條件下允許輸出電壓略高于標(biāo)稱值電壓，而在滿負(fù)荷條件下允許輸出電壓略低于標(biāo)稱值。雖然如此，負(fù)載瞬變期間的最大電壓偏差仍顯著低于補(bǔ)償VEA的高增益低頻響應(yīng)的情況，另外，還會(huì)降低負(fù)載功耗。

　　為了優(yōu)化響應(yīng)特性而對(duì)電壓環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，需要認(rèn)識(shí)VEA增益隨頻率變化的響應(yīng)特性，也需要了解在整個(gè)負(fù)載、溫度變化范圍內(nèi)環(huán)路整體特性。增益與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，然后通過(guò)補(bǔ)償VEA達(dá)到預(yù)期要求。為保持穩(wěn)定性應(yīng)該有足夠的相位裕量，通常45°至60°比較好。VEA補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)與CEA相同，DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)該承受瞬變情況下，如啟動(dòng)、負(fù)載變化、短路恢復(fù)、空載、輸入電壓變化時(shí)的極限條件。如果輸出電壓在整個(gè)溫度范圍內(nèi)對(duì)所有這些瞬變條件都能表現(xiàn)出良好的阻尼響應(yīng)，則假定系統(tǒng)穩(wěn)定。

　　應(yīng)用中的注意事項(xiàng)

　　調(diào)節(jié)輸入電壓范圍

　　MAX