更高的靈活性可改進單片降壓穩(wěn)壓器設計

　　許多老版本的單片降壓型開關穩(wěn)壓器都集成了片上反饋環(huán)路補償電路。盡管這種方法可以簡化設計過程，但它通常并不支持對環(huán)路動態(tài)響應進行優(yōu)化。因此就需要選擇合適的功率元件以滿足相應的反饋要求(通常并非最理想的方式)。例如，特定穩(wěn)壓器可能要求用戶在給定的范圍內選擇電感和輸出電容值，從而使LC雙極點頻率處于反饋補償器的雙零點位置。這樣做雖然能夠獲得穩(wěn)定環(huán)路，但是無法達到最適合功率通道要求。解決這一問題的方法是用外部由用戶選擇的環(huán)路補償。但是，對于新手來講，這可能會帶來問題，因為其反饋環(huán)路是很難進行補償?shù)摹Ｓ谑?，電流模式控制作為一種創(chuàng)新技術最初于80年代被提出。這種控制方案將輸出濾波器降低了一階，使其成為一階系統(tǒng)，從而大大簡化了環(huán)路補償任務。然而，難遂人愿的是，電流模式控制技術也并非萬能，噪聲敏感度就是困擾它的一個主要問題。

　
圖1  ECM工作原理圖

　　最近我們成功開發(fā)出一個被稱為模擬電流模式控制 (ECM) 的電流模式控制版本。它大大增強了高步降率情況下的性能，同時具有良好的噪聲抑制特性。由于輸入電壓范圍高達75V，因此 ECM 在很多高輸入電壓應用場合都具有顯著的設計裕量，同時它還能夠產生當今數(shù)字電路所使用的各種輸出電壓。環(huán)路補償也相對簡單，從用戶角度講，現(xiàn)有輔助設計軟件進一步使設計工作量變得微不足道。

傳統(tǒng)的電流模式

　　那么，電流模式控制是如何工作的呢？很多人試圖用復雜的數(shù)學來解釋電流模式控制的工作機理。但是筆者始終認為，如果你不得不借助數(shù)學來解釋某件事物，本身就表明你并不理解它。因此讓我們嘗試用一種簡單和直觀的方法去理解電流模式控制技術。

　
圖2  測量圖

　　電流模式的基本原理是：首先將功率級轉化成電流源，然后從誤差放大器得到它的指令電流水平。誤差放大器觀察輸出電壓，根據(jù)輸出電壓與理想值的偏差改變電流指令。通?？刂齐姼须娏鞯姆椒ㄊ菧y量電流，當電流到達期望水平時關閉高端場效應管(控制FET)。從輸出濾波器(由并聯(lián)的電容和負載電阻構成)的角度看，電感類似于一個受控電流源。誤差放大器輸出的任何小信號偏差將產生一個流經電感的小信號電流偏差。這些小信號電流偏差流經輸出濾波器網絡的電阻，在輸出端產生一個小信號電壓偏差。因為輸出RC濾波器是一個單階系統(tǒng)，控制信號到輸出小信號響應的傳遞函數(shù)(也稱作受控增益)也是單階的。這使得系統(tǒng)很容易到達穩(wěn)定狀態(tài)。

　
圖3  大負載的階躍性能

ECM

　　大多數(shù)傳統(tǒng)電流模式穩(wěn)壓器通過觀察控制FET的通態(tài)電流來測量電感電流。但是，在重新開啟控制FET之前，ECM首先測量續(xù)流二極管中的電流(圖1)。然后該信息被采樣保持電路(受穩(wěn)壓器的時鐘控制)捕捉。二極管的電流信息被保持，接著控制FET打開。然后小電流源開始對斜坡電容充電，所選取的斜坡電容值與電感值成正比。充電電流被設計為與輸入輸出電壓差成比例。因此，斜坡電容所獲得的斜坡電壓斜率和電感電流的斜率呈正比關系。

　　當斜坡電壓與以前采樣電流的測量結果相加時，產生一個梯形波，它完全類似于控制FET的電流波形，其中去掉了所有常見的非理想因素。這使 ECM 能夠精確控制很窄的導通脈沖。對要求大步降率的穩(wěn)壓器來講，這是一個非常有用的特性。但是仍然存在一個問題，比如，小信號表現(xiàn)是否符合電流模式穩(wěn)壓器的實際狀況？圖2的測量圖表說明，實際上兩者確實保持一致。

　　由于能夠獲得工作范圍更寬并且清晰的單極點控制架構，最終用戶具有很大的靈活性，可以享受簡化補償所帶來的便利。這里可以使用簡單的主極點補償方法(單極點大概位于300Hz 處)。只需要通過簡單的RC補償，設計方案就可以接收從1kHz 到 30kHz的交叉頻率。正是由于這種控制架構非常寬松，才使得環(huán)路設計的簡化成為可能。

ECM 的實際應用

　　SIMPLE SWITCHER降壓穩(wěn)壓器中的LM5576系列充分發(fā)揮了簡化補償所帶來的優(yōu)勢，并且使環(huán)路補償可以自由控制。這與SIMPLE SWITCHER穩(wěn)壓器的先前版本不同，后者完全依賴于內部由原廠設定的增益特性。當然，為了充分利用環(huán)路增益的靈活性，工作頻率也應該是靈活可變的。這讓用戶能夠在效率、尺寸和動態(tài)性能之間做出性能權衡。比如，如果需要出色的動態(tài)性能但卻不太關心效率問題，設計師可以選擇使控制器運行在較快的時鐘頻率下，從而使LC濾波器的儲能最小化，因此能夠獲得更好的瞬態(tài)響應。相反，對于要求最優(yōu)效率(以板上面積的增加為代價)的應用，設計師將采用較低的時鐘頻率以及較大的LC濾波器。由于濾波器元件具有較大的儲存能量，動態(tài)性能將會降低。但是，不管是上述哪種情況，設計師都可以根據(jù)選中的LC濾波器元件和時鐘頻率對環(huán)路進行調整。對于驅動大動態(tài)負載的系統(tǒng)來講，更快的控制環(huán)路可以減少輸出電容器的數(shù)量，從而降低整個設計的成本。

　　為了最大限度減輕用戶的設計任務，還可以利用全自動的專家系統(tǒng)(被稱為WEBENCH)對整個穩(wěn)壓器進行設計。該專家系統(tǒng)能夠生成穩(wěn)定的設計和期望的功能。但是，此軟件并沒有智能到可以單獨將穩(wěn)壓器的動態(tài)性能發(fā)揮到極至的地步。因此還是需要一些用戶的參與，盡管對于大多數(shù)應用場合這并不必要。但是對于控制環(huán)路需要更高帶寬的應用來講，用戶能夠選擇調整補償。我們可以觀察瞬態(tài)仿真的結果和整個環(huán)路增益的波特圖，并且還可以看到在不斷調整補償(軟件選擇)以改進環(huán)路的動態(tài)性能。用戶能夠自由地改變環(huán)路帶寬，甚至使其超過特定頻率，在該頻率下系統(tǒng)的高頻極點開始在傳輸函數(shù)中顯現(xiàn)。因此，以相位裕度的微降為代價，將帶寬設置得大一些，可以大幅度提高瞬態(tài)性能。

　　這里并沒有因為要使環(huán)路穩(wěn)定而對電感和輸出電容的取值做出基本限制。在一個具體的例子中，開關頻率增加至500kHz，在只有一個220mF輸出電容的情況下，電感取值為15mH。從圖3中可以看到，對于簡單的單片穩(wěn)壓器而言，大負載的階躍性能已經非常出色了。