- 簡要介紹這些不同類型的降壓轉(zhuǎn)換器的特征
- 展示每種類型最適合的應(yīng)用要求
降壓電源轉(zhuǎn)換器自 20 世紀 60 年代開始應(yīng)用于電子元件,自那以后,人們開發(fā)出了眾多基于降壓電源轉(zhuǎn)換原理的型號。 特別是 IC 制造商開發(fā)了許多不同類型的控制電路,可以滿足各種不同的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)要求。
此高密謀意味著,對于需要指定電源 IC 但又非電源專家的設(shè)計工程師來說,這是件令人頭痛的事,因為他需要評估數(shù)千件具有不同特征的部件,從而找出最適合其應(yīng)用的部件。
本文旨在簡要介紹這些不同類型的降壓轉(zhuǎn)換器的特征,并展示每種類型最適合的應(yīng)用要求,從而簡化這一過程。
簡介
在降壓轉(zhuǎn)換器中,電源階段包括開關(guān)(通常為 MOSFET)、續(xù)流二極管或第二個 MOSFET、電感器和輸出電容器,如圖 1 所示。 其工作原理非常簡單。 在時間 0 處,Q1打開,并且電流在電感器中增大,其中斜率取決于 Vin 和Vout 的值。 在導(dǎo)通時間結(jié)束時,MOSFET 關(guān)閉,電流繼續(xù)流過二極管,并且以與 -Vout 成正例的斜率減?。▍⒁妶D2)。在經(jīng)過充足的循環(huán)次數(shù)后,達到穩(wěn)定狀態(tài),此時輸出電壓(Vout) 理論上的表達式為:
占空比是指開關(guān)導(dǎo)通時間(活動時間)與變換頻率的整個期間 T 之間的比率。 然而,上述等式僅在設(shè)備不產(chǎn)生損耗的理想情況下才成立。 真實情況比較復(fù)雜,實際性能不僅受損耗的影響,而且還受溫度和時間變化的影響。
因此,在基本電源拓撲結(jié)構(gòu)的頂部,降壓轉(zhuǎn)換器需要一個可管理占空比的控制系統(tǒng),才能獲得靜態(tài)和動態(tài)性能屬性,例如輸出電壓準確度、瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。有三種控制降壓轉(zhuǎn)換器的基本方法:電壓模式、電流模式和滯環(huán)模式。 每個控制流程的簡要說明。
電壓模式轉(zhuǎn)換器控制
電壓模式控制是一種最易理解同時也是應(yīng)用最廣泛的控制方案。 在電壓模式控制中,輸出電壓受到感應(yīng),并且其中的一小部分與參考值一起饋輸送至運算放大器;放大器(稱為錯誤放大器)的輸出與實際輸出電壓和所需輸出電壓之間的差值相關(guān)聯(lián)。 然后,過濾的錯誤在整個固定頻率鋸齒形斜坡上比較,從而設(shè)定控制器的頻率。 時鐘信號啟動循環(huán),并且 MOSFET 打開。當斜坡信號開始大于錯誤信號時,插銷會重置,并且 MOSFET 關(guān)閉。 錯誤越大,比較器輸出打開的時間越長。
考慮采用電壓模式控制降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計工程師看重此類設(shè)備能夠使用各種占空比,并且對噪音不太敏感。另一方面,由于控制器僅能了解對輸出電壓的瞬態(tài)影響 -不能感應(yīng)瞬態(tài)電流自身,因此瞬態(tài)響應(yīng)不太理想。 事實上,通常會實施輸入電壓前饋,從而對線路電壓變化進行校正。
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電壓模式控制的最新產(chǎn)品示例包括美國國家半導(dǎo)體制造的LM2267x Simple Switcher® 系列以及 Micrel 制造的 MIC472x和 MIC468x 系列。 這些部件包括內(nèi)部補償,因此可在各種應(yīng)用中方便地使用它們。
電流模式控制
之所以采用“電流模式控制”這一名稱,是因為轉(zhuǎn)換器輸出由所選的開關(guān)峰值電流控制。時鐘信號觸發(fā)導(dǎo)通時間和電感器電流升高;測量開關(guān)電流(在導(dǎo)通期間等于電感器電流)并與參考值比較;最終,開關(guān)電流達到參考值的水平,此時開關(guān)關(guān)閉,關(guān)閉的時間為變換期間的剩余時間。這意味著,占空比不受直接控制,而是取決于控制輸入和其他轉(zhuǎn)換器變量。
控制輸入通常由第二個反饋環(huán)路(用于控制轉(zhuǎn)換器輸出)設(shè)定;輸出電壓受到感應(yīng),并且與在電壓模式控制中一樣,具有補償網(wǎng)絡(luò)的錯誤放大器生成輸入控制信號。此控制設(shè)計的效果是系統(tǒng)得到簡化,通常會形成更廣、更強大的控制帶寬。 結(jié)果,它使用的補償網(wǎng)絡(luò)比電壓模式控制方案中要求的補償網(wǎng)絡(luò)更加簡單。電流模式轉(zhuǎn)換器的一個缺點是它們對感應(yīng)電流信號中的噪音比較敏感:在低占空比的情況下操作時,容易受打開時產(chǎn)生的反向峰值二極管電流的干擾。
滯環(huán)模式
采用滯環(huán)控制模式的轉(zhuǎn)換器將輸出電壓保持在以參考電壓為中心的滯環(huán)范圍內(nèi)。在基本滯環(huán)控制器中,輸出電壓受到感應(yīng),并且其中的一小部分饋送給滯環(huán)比較器:當感應(yīng)電壓進一步降至參考值以下且大于滯環(huán)值時,設(shè)定比較器并且開關(guān)開啟。
一旦輸出電壓高于目標電壓和磁滯之和,重置比較器并關(guān)閉開關(guān)。這是最簡單的控制模式:它不需要反饋補償,因此可提供最快的瞬態(tài)響應(yīng),并且所需的組件數(shù)量較少。 缺點是轉(zhuǎn)換頻率變化不定(取決于負載和電壓源條件);在某些應(yīng)用中,輸出電壓紋波的固有級別是不可接受的,例如,盡管Micrel 在其 HyperLight Load 設(shè)備中實施了非??焖俚墓苤骗h(huán)路,以便最小化輸出電壓紋波,但仍有可能達不到要求。
衍生產(chǎn)品和實際實施
每種基本控制模式都有自身的優(yōu)點和缺點,以及自身的操作方式。 為了盡可能消除缺點或為了提供某些特定應(yīng)用所需的額外益處,轉(zhuǎn)換器制造商已開發(fā)出了這三種基本控制器類型的衍生型號。例如,某些應(yīng)用要求變換頻率設(shè)定在相當窄的范圍內(nèi)以避免某些敏感頻率;這通常會排除滯環(huán)模式控制器的使用,因為它的變換頻率變化不定。 但有一種解決方案:恒定導(dǎo)通時間 (COT) 轉(zhuǎn)換器。
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在這種控制器中,導(dǎo)通時間與輸入電壓成反比,但對于給定的輸入電壓,不論負載電流如何,它都是固定的。 這樣,變換頻率可在輸入電壓范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定。
美國國家半導(dǎo)體推出了 COT 控制器的增強版本:仿真紋波模式 (ERM) 控制器。 這些設(shè)備采用特殊設(shè)計,不用再像普通 COT 控制器那樣依賴輸出電容器阻抗來實現(xiàn)穩(wěn)定性。 ERM 調(diào)壓設(shè)備的示例包括美國國家半導(dǎo)體推出的LM315x 系列和 LM3100。
此外,還嘗試克服電流模式控制方案的局限性。 如上所述,電流模式控制的缺點是對電流測量電路中的噪聲太敏感:這會妨礙低占空比應(yīng)用。 為克服這一問題,美國國家半導(dǎo)體已開發(fā)出了仿真電流模式 (ECM) 控制。 這一控制方案基于峰值電流控制模式,但電流斜坡是模擬的,而不是測量的。
ECM 控制器的主要應(yīng)用是從高輸入電壓轉(zhuǎn)換到低輸出電壓,同時在窄占空比的情況下操作。 ECM 調(diào)壓裝置的示例包括 LM557x 系列。
識別正確的轉(zhuǎn)換器類型
從上面可以看出,盡管每種控制器類型都具有特定的優(yōu)勢,但對于某些應(yīng)用要求,需要混合使用多種類型的控制器才能合理地解決。 圖 3 提供了旨在簡化一個或多個轉(zhuǎn)換器類型選擇過程的決策樹。 表 1 還顯示了目前市場上用于實施各種控制方案的主要產(chǎn)品。應(yīng)該說,盡管衍生類型并不需要特別適用于某一應(yīng)用場合:專家設(shè)計人員可能依賴基本控制設(shè)備提供的選擇自由度來實現(xiàn)特定所需的性能,這可能是其中一種衍生產(chǎn)品無法實現(xiàn)的。