電流檢測(cè)放大器，80V共模電壓雙向

介紹

每個(gè)脈寬調(diào)制控制器配置基本的控制元件，以便當(dāng)連接到功率轉(zhuǎn)換器的反饋信號(hào)時(shí)，有足夠的回路增益和帶寬可用來根據(jù)線路和負(fù)載的變化調(diào)節(jié)電壓設(shè)定點(diǎn)。這些控制元件包括誤差放大器、脈寬調(diào)制器、斜坡、 電源開關(guān)的電壓參考、時(shí)鐘、鎖和驅(qū)動(dòng)器，可能集成也可能不集成在控制器內(nèi)。這些元件的布置將電壓模式或電流模式控制器與V2設(shè)備區(qū)分開來。

將轉(zhuǎn)換器的反饋信號(hào)與電壓參考進(jìn)行比較，并在電壓放大器的輸出處產(chǎn)生誤差信號(hào)。這個(gè)誤差信號(hào)被饋送到一個(gè)PWM的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端是由一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生的固定振幅的電壓斜坡。內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置鎖存器，以啟動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期。圖1顯示了一個(gè)基本的電壓模式控制器。

圖1。V模式控制

當(dāng)錯(cuò)誤信號(hào)與斜坡相交時(shí)，PWM將重置閂鎖并且電源開關(guān)被關(guān)閉。輸出電壓的微小變化，對(duì)應(yīng)于輸入線或輸出負(fù)載的變化，會(huì)導(dǎo)致相對(duì)于斜坡的誤差電壓的變化。這反過來又導(dǎo)致調(diào)制器的占空比D改變，以調(diào)節(jié)輸出電壓。圖2突出顯示了當(dāng)前模式控制器的元素。

圖2. 模式控制

在該控制實(shí)現(xiàn)中，誤差信號(hào)再次由將反饋信號(hào)與其輸入處的參考電壓進(jìn)行比較的電壓放大器產(chǎn)生誤差信號(hào)。如在電壓模式控制中一樣，該信號(hào)被饋送到PWM的一個(gè)輸入端。然而，在電流模式控制中，第二個(gè)輸入不是來自一個(gè)固定的斜坡，而是來自在電源開關(guān)中流動(dòng)的電流。當(dāng)電流斜坡的峰值時(shí)與錯(cuò)誤信號(hào)相交時(shí)，電源開關(guān)循環(huán)被終止。因此，當(dāng)外部電壓回路檢測(cè)到變化時(shí)，內(nèi)環(huán)中的編程電流被上調(diào)或下調(diào)，以糾正偏差。圖3說明了一個(gè)V2控制器的基本架構(gòu)。

圖3。V2控制

在這里，反饋信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，以產(chǎn)生輸入給PWM的一個(gè)輸入的誤差信號(hào)。然而，在V2中，PWM的第二輸入是來自轉(zhuǎn)換器輸出的反饋信號(hào)。該反饋信號(hào)提供直流信息和交流信息（斜坡），以便轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)其設(shè)定點(diǎn)。內(nèi)部時(shí)鐘在每個(gè)開關(guān)周期中啟動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)反饋信號(hào)與錯(cuò)誤信號(hào)相交時(shí)，開關(guān)周期被終止。

作為PWM的輸入，誤差信號(hào)和控制斜坡，都來自于轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，控制架構(gòu)被稱為V2。這有點(diǎn)

具有誤導(dǎo)性，因?yàn)榭刂菩逼峦ǔＪ怯赊D(zhuǎn)換器中存在的當(dāng)前信息生成的?？刂企w系結(jié)構(gòu)也同樣可以做到這一點(diǎn)支持電壓模式控制。提出了一種利用電壓前饋技術(shù)的應(yīng)用。

最后，與在V2中是否采用了電流或電壓模式控制技術(shù)無關(guān)，在圖1、圖2和圖3中討論的控制元件的排列之間有一個(gè)重要的區(qū)別需要注意。在V2中，高頻信息的處理沒有誤差放大器。由于誤差放大器不是高頻路徑的一部分，因此可以根據(jù)誤差放大器的增益和相位特性對(duì)變換器的閉環(huán)增益和瞬態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)換器的點(diǎn)必須支持基于微處理器的應(yīng)用程序的100A/微秒的瞬態(tài)負(fù)載要求時(shí)，這一點(diǎn)就變得很重要了。

V2部署在半導(dǎo)體的集成電路組合中的許多控制器中，每個(gè)控制器都針對(duì)一個(gè)特定的應(yīng)用程序。為了說明這種方法可能實(shí)現(xiàn)的高水平集成，下面更詳細(xì)的討參考了CS5141x降壓調(diào)節(jié)器，如圖4所示。

圖4。巴克轉(zhuǎn)換器與V2控制

來自降壓轉(zhuǎn)換器的反饋信號(hào)在被路由到PWM比較器的輸入端之前以兩種方式中的一種進(jìn)行處理?？焖俜答伮窂剑‵FB）在將反饋信號(hào)傳遞到PWM的一個(gè)輸入端之前，將坡度補(bǔ)償添加到反饋信號(hào)中。對(duì)慢反饋路徑（SFB）進(jìn)行比較對(duì)直流參考的原始反饋信號(hào)。在誤差放大器VC的輸出處產(chǎn)生的誤差信號(hào)在被路由到PWM的第二輸入端之前，被一個(gè)低頻極點(diǎn)濾波。

當(dāng)振蕩器設(shè)置輸出鎖存器時(shí)，每個(gè)開關(guān)循環(huán)都被啟動(dòng)(S1開啟）。

當(dāng)FFB信號(hào)（交流加輸出直流）超過SFB（錯(cuò)誤直流）時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期終止(S1關(guān)閉），并且輸出鎖存器被重置。在負(fù)載瞬態(tài)的情況下，F(xiàn)FB信號(hào)相對(duì)于濾波后的SFB信號(hào)變化得更快，導(dǎo)致占空比調(diào)制發(fā)生。從轉(zhuǎn)換器中獲取的實(shí)際示波器波形，顯示開關(guān)節(jié)點(diǎn)vswit，錯(cuò)誤信號(hào)vc反饋信號(hào)垂直走紙格式緩沖器（僅限交流組件）如圖5所示。

圖5。

轉(zhuǎn)換器回路增益

與任何PWM開關(guān)控制器一樣，在V2控制器中存在3個(gè)增益塊。（圖6）第一個(gè)方塊包括功率電路和PWM調(diào)制器，第二，輸出濾波器和第三，通過補(bǔ)償誤差放大器提供負(fù)反饋的增益塊。

圖6。閉環(huán)增益

功率電路和調(diào)制器的增益，也稱為輸出控制，由輸入電壓的比值定義文到控制斜坡的振幅靜脈腎素濃度.下一個(gè)塊是無源輸出濾波器級(jí)，一旦濾波器的交叉頻率f，它在斜率?2（40db/十年）處衰減液晶顯示器（超過了1/2幾√LC）。

誤差放大器反饋塊周圍的補(bǔ)償如下。誤差放大器的輸出阻抗很高（7 MQ)。因此，一個(gè)100 nF的小輸出電容器將產(chǎn)生一個(gè)低頻極，在這種情況下是在20 Hz。

整體的閉環(huán)增益可以通過疊加（以dB的總和）來找到，如圖6所示。為了提供一個(gè)無條件穩(wěn)定的環(huán)路和行為良好的瞬態(tài)響應(yīng)，在環(huán)路的統(tǒng)一增益交叉時(shí)，環(huán)路周圍的相移需要超過45度。由于誤差放大器具有固定的增益，其補(bǔ)償由單個(gè)低頻極設(shè)置，這是通過調(diào)整控制斜坡信號(hào)的振幅值和相位來實(shí)現(xiàn)的。

控制坡道的產(chǎn)生

在最初的V2設(shè)計(jì)中，控制斜坡VCR是由轉(zhuǎn)換器的輸出紋波產(chǎn)生的。使用電流導(dǎo)出的斜坡提供了與電流模式相同的好處，即輸入前饋、單極輸出濾波器補(bǔ)償和輸出負(fù)載瞬態(tài)后的快速反饋。通常，選擇的鉭或有機(jī)聚合物電容器具有足夠大的esr組件，相對(duì)于其電容性和esl紋波貢獻(xiàn)，以確?？刂菩逼率歉袘?yīng)電感電流，其振幅足以保持環(huán)路的穩(wěn)定性。該技術(shù)如圖7所示。這是一種非常簡(jiǎn)單的技術(shù)，但與開關(guān)調(diào)節(jié)器的基本要求具有低輸出紋波相反。還必須考慮組件隨時(shí)間和溫度變化的變化公差。

圖7。從輸出中生成的控制斜坡

電容器利用這種技術(shù)，由于寄生的esr和esl紋波貢獻(xiàn)為零，因此可以很容易地獲得低于10 mV的輸出開關(guān)紋波。在這種情況下，控制斜坡會(huì)在電路的其他地方生成。

在V2中使用的控制斜坡可以通過許多僅受設(shè)計(jì)師個(gè)人創(chuàng)造力限制的方式得到。例如，一種方法是使用電感DCR感應(yīng)技術(shù)，在輸出電感上添加一個(gè)RC集成網(wǎng)絡(luò)，并將“電感感應(yīng)電流”斜坡耦合到反饋路徑中。

另一種方法是從輸入開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)電壓斜坡，以添加到直流反饋信號(hào)中。通過這種方式，創(chuàng)建了一個(gè)具有固有前饋的電壓模式控制器。

使用DCR傳感器的斜坡萌發(fā)

該技術(shù)被描述為參考了一個(gè)12 V到3.3 V的降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，使用MLCC電容器作為輸出濾波器。轉(zhuǎn)換器

的電路如圖8所示。這里的重點(diǎn)是控制電路，而不是功率開關(guān)、自由輪二極管或電感器中定義轉(zhuǎn)換器效率的損耗項(xiàng)。

圖8。由DCR感應(yīng)器傳感器產(chǎn)生的控制坡道

使用電壓前饋方式產(chǎn)生斜坡

圖9說明了該技術(shù)。電阻Rf和電容器Cf從交換節(jié)點(diǎn)到地形成一個(gè)濾波器網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)這個(gè)RfCf時(shí)間常數(shù)與3.86山S的開關(guān)周期相比較大，該網(wǎng)絡(luò)以與LC輸出濾波器相同的方式集成開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓。因此，Cf上出現(xiàn)的直流電壓為3v，Cf上的電壓斜坡由下式給出。.3Vc = {(Vin/Rf) x DTs} / Cf = {DTs/CfRf} x Vin這個(gè)電壓斜坡被耦合到轉(zhuǎn)換器的反饋信號(hào)中，以提供電壓模式控制。

值得注意的是，他的循環(huán)本身并不足以提供一個(gè)穩(wěn)定的循環(huán)。有必要以零的形式增加額外的補(bǔ)償，以補(bǔ)償來自LC輸出階段的?2斜率。這是通過添加圖9中的電容器Cz來實(shí)現(xiàn)的?？刂菩逼潞?20 mV瞬態(tài)響應(yīng)如圖13和圖14所示。這里需要注意的是，雖然回路是穩(wěn)定的，但瞬態(tài)波形略微超過其設(shè)定點(diǎn)，這表明增益和相位裕度可以提高。

圖9。從前饋電壓開始的控制坡道

結(jié)論

本文討論了電壓模式、電流模式和V2、PWM控制器的基本條件。在V2中，控制斜坡可以從轉(zhuǎn)換器內(nèi)可用的電流或電壓信息中創(chuàng)建。在降壓轉(zhuǎn)換器的情況下，采用MLCC的輸出，給出了每種控制技術(shù)的一個(gè)例子。分析并提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。瞬態(tài)數(shù)據(jù)證實(shí)，使用V2控制技術(shù)可以很容易地實(shí)現(xiàn)超過10 kHz的環(huán)路增益。其他的設(shè)計(jì)信息，包括Bode圖，可以通過參考與每個(gè)V2產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)的演示板來獲得。