LTspice中電流模式控制降壓變換器的設(shè)計

在本文中，我們將通過檢查LTspice中的示例電路布局來了解開關(guān)穩(wěn)壓器的電流模式控制（CMC）。

我之前的文章提供了電流模式控制（CMC）作為一種在DC-DC轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)高性能電壓調(diào)節(jié)的技術(shù)的理論概述?，F(xiàn)在，我們將使用LTspice來更深入地了解這些電路的實(shí)際工作方式。

我創(chuàng)建了一個CMC降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice示意圖（圖1），以幫助我們檢查CMC的設(shè)計原理和操作。該電路是一個閉環(huán)系統(tǒng)，使用電壓和電流反饋來鎖定輸出電壓。

峰值CMC降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice示意圖。

圖1。峰值CMC降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice示意圖。

原理圖審查

該實(shí)現(xiàn)基于德州儀器公司文件“理解和應(yīng)用電流模式控制理論”圖6中的峰值CMC降壓轉(zhuǎn)換器。有一些重要的差異，我將在它們變得相關(guān)時進(jìn)行解釋?，F(xiàn)在，讓我們檢查一下這個示意圖的組件，以及它們對電路功能的貢獻(xiàn)。

RSENSE和DIFF-AMP

通過放大與電感器（L）串聯(lián)的電流感測電阻器（RSENSE）兩端的電壓來產(chǎn)生電流反饋信號。為了方便起見，我使用了任意行為電壓源（DIFF-AMP），而不是SPICE版本的差分放大器。DIFF-AMP輸出等于RSENSE兩端的電壓乘以10。

總電流-電壓增益可計算如下：

反饋電壓和誤差放大器

輸出電壓連接到由RFB1和RFB2組成的電阻分壓器。該分壓器向由VREF、U1、RCOMP、CCOMP和CHF組成的補(bǔ)償誤差放大器提供反饋電壓（VFB）。

完成控制回路

A1和A2通過使用電流反饋信號和電壓誤差信號來生成用于開關(guān)的適當(dāng)柵極驅(qū)動波形來完成控制回路，在該示意圖中，開關(guān)被實(shí)現(xiàn)為NMOS晶體管。A1是施密特觸發(fā)器緩沖器，由于具有差分輸入，所以用作比較器，A2是SR鎖存器。LTspice稱之為SRFLOP。

權(quán)力舞臺

M1、M2、L、RSENSE和COUT屬于功率級。注意，COUT值（圖2）包括1 mΩ的ESR。

LTspice窗口顯示CMC降壓轉(zhuǎn)換器模擬的輸出電容值。電容為100μF，包括1 mΩ的ESR。

圖2:用于CMC降壓轉(zhuǎn)換器模擬的COUT（包括ESR）。

我在以前的文章中已經(jīng)討論過buck拓?fù)?，所以我不會在這里花太多時間。然而，我想評論一下這個特定電路的功率級的一些方面，即M1的柵極驅(qū)動電壓以及兩個開關(guān)而不是開關(guān)和二極管的存在。我們將在接下來的兩節(jié)中討論這些問題。

M1和M2可以在圖3的左側(cè)看到，圖3顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的功率級。

LTspice示意圖的一部分。完整示意圖顯示CMC降壓轉(zhuǎn)換器。這張示意圖顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的功率級。

圖3。CMC降壓轉(zhuǎn)換器的功率級部分示意圖如圖1所示。

提升M1柵極驅(qū)動器

如上所述，我們使用NMOS晶體管作為電源開關(guān)（M1）。我們不能僅僅用任何舊的邏輯信號來驅(qū)動?xùn)艠O，就好像FET的源極在地一樣。

我在這個電路中的主要邏輯電壓是5V。由于VOUT也是5V，我們可以很容易地得出結(jié)論，5V的柵極電壓不足以將這個FET變成有效的開關(guān)。在任何情況下，我們希望柵極電壓高于VIN，而不僅僅高于VOUT。

物理實(shí)現(xiàn)可以通過包括用于提升柵極驅(qū)動信號的電荷泵電路來解決這種復(fù)雜性。對于LTspice實(shí)現(xiàn)，解決方案甚至更簡單：我只告訴SR鎖存器使用15V作為邏輯高電壓（圖4）。

顯示SRFLOP值的LTspice窗口。它顯示邏輯高電壓等于15V，邏輯低電壓等于0V。

圖4。SR鎖存器（SRFLOP）的邏輯高電壓定義。

同步整流

用開關(guān)代替二極管的技術(shù)稱為同步整流。這種方法與一長串好處有關(guān)：引用TI應(yīng)用程序關(guān)于功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計中同步整流主題的說明，它“提高了效率、熱性能、功率密度、可制造性和可靠性，并降低了電源系統(tǒng)的整體系統(tǒng)成本?！?/p>

有了這樣的背書，很難為我在切換器模擬中使用二極管辯護(hù)。因?yàn)楸或?qū)動到全導(dǎo)通的FET比正向偏置的二極管下降更少的電壓，所以同步整流在實(shí)際應(yīng)用中是優(yōu)選的；然而，當(dāng)目標(biāo)是解釋基本原理而不是優(yōu)化性能時，二極管看起來確實(shí)有點(diǎn)簡單。另一方面，也許我只是懷念上世紀(jì)90年代以前的電路設(shè)計。

在任何情況下，第二開關(guān)都必須具有其自己的驅(qū)動信號，因?yàn)楫?dāng)高側(cè)FET（M1）導(dǎo)通電流時，低側(cè)MOSFET（在我的示意圖中為M2）需要阻斷電流，反之亦然。我通常會覺得這個要求有點(diǎn)煩人，但在這種情況下，這根本沒有問題——我們已經(jīng)在使用SR鎖存器來生成PWM信號，而鎖存器的Q-not輸出正是我們第二個FET所需要的。

測量電流

眾所周知，開關(guān)穩(wěn)壓器能夠以最小的功率損耗轉(zhuǎn)換電壓，我們不得不在潛在的高電流電路路徑中放置電阻元件，這有點(diǎn)令人失望（圖5）。不過，總的來說，這對于當(dāng)前模式控制的好處來說是一個很小的代價。

LTspice示意圖的一部分。完整示意圖顯示CMC降壓轉(zhuǎn)換器。這張示意圖顯示了電流感應(yīng)電阻器。。

圖5。電流感應(yīng)電阻器（RSENSE）。

RSENSE的值（10 mΩ）是為了平衡效率和精度——我們希望在產(chǎn)生足夠大的電壓以與噪聲和放大器的非理想性很好地競爭的同時減少功耗。我的“放大器”是一個純粹的數(shù)學(xué)組件，除非你故意將其包括在內(nèi)，否則SPICE電路不會有噪聲，所以如果我們愿意，我們可以在這個模擬中使用更小的電阻器。

在物理電路中，像INA240這樣的東西將是放大RSENSE電壓的好選擇。

未完待續(xù)…

在本文中，我們主要通過其原理圖來分析我們的示例CMC降壓轉(zhuǎn)換器。下一次，我們將通過在LTspice中生成電壓波形來提高對電路的理解。