PWM電源控制器拓撲結(jié)構(gòu)及仿電流感測信號技術(shù)

1、關(guān)于寬或高輸入范圍、低電源輸出功率降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)的問題

一般來說，常常采用開關(guān)穩(wěn)壓器將不穩(wěn)定的寬與高輸入電壓降低為穩(wěn)定的低輸出電壓。對于必須通過DC/DC轉(zhuǎn)換降低輸入電壓的系統(tǒng)來說，采用開關(guān)穩(wěn)壓器可大幅提高轉(zhuǎn)換效率，這方面遠比線性穩(wěn)壓器好得多。其脈寬調(diào)制PWM電源供應控制器有單端拓撲結(jié)構(gòu)與雙端拓撲結(jié)構(gòu)。

1.1單端拓撲結(jié)構(gòu)的控制方法與特征

控制方法有二種，即電壓模式與電流模式。電壓模式是簡易、低噪音的控制方法，可滿足大輸入及輸出范圍的需求。電流模式是帶內(nèi)置電流限制，擁有快速瞬態(tài)響應時間。

集成度：集成的軟啟動(可編程)提供了可預測的啟動能力，而內(nèi)置前沿消隱電路(1eadingedgeblanking)，用以抑制MOSFET管開啟時的轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的毛刺。

性能具有：多種電壓模式控制器都具有輸入電壓前饋能力，可對輸入線電壓的改變做出即時的響應；絕大部分的控制器都具有內(nèi)置高電流驅(qū)動能力。無須外置MOSFET驅(qū)動器；更低的啟動電流，以用于脫機應用；低工作電流實現(xiàn)了低負載下的高效率；可編程最小化的責任周期限制，實現(xiàn)了低負載下的高效率（如UCC3581)。

特點：在10W"350W脫機工作，DC／DC電源；單端拓撲結(jié)構(gòu)電源（降壓型、升壓型、回掃型和正向）。

1.2雙端拓撲結(jié)構(gòu)控制方法與特征

其電流模式的控制技術(shù)是采用逐周期電源限制(cycle-by-cyclecurrentlimltmg)，并以其快速的瞬態(tài)響應為特色；而電壓模式是多用途，低噪音的控制方法，可實現(xiàn)大的責任周期范圍。

軟開關(guān)特征：零電壓切換(ZVT)軟開關(guān)技術(shù)最小化了開啟時的功率損耗；相位切換、零電壓轉(zhuǎn)換控制器最大化了全橋轉(zhuǎn)換器的效率。

保護特征：靈活的過電流限制回路提供了可編程的錯誤保護模式；可編程軟啟動實現(xiàn)了初始化時及出錯之后的可預測啟動；高速，逐周期電流限制；最大化責任周期限制以防止變壓器飽和；可編程停滯時間(deadtime)控制，防止了電源開關(guān)的交叉?zhèn)鲗А?br>
1.3舉例應用——更高集成度的PWM控制器MAX5051

MAX5051為雙開關(guān)拓撲PWM控制器，比較理想用于建立高性能、同步整流、48V隔離電源。見圖1 MAX5051功能引腳與應用示意圖。其元件數(shù)減少2倍而成本削減3倍。





應該說當今大部分內(nèi)置變壓器的直流／直流轉(zhuǎn)換器都采用回掃及正向的電路程式。由于這兩種布局的變壓器匝數(shù)比可以按照不同要求加以設定，因此可以滿足大部分降壓轉(zhuǎn)換的要求，確保使寬與高輸入／輸出降壓比的應用也可充分發(fā)揮轉(zhuǎn)換性能。對于不需要為接地絕緣的系統(tǒng)來說，采用降壓穩(wěn)壓器是較為理想的電路布局。降壓穩(wěn)壓器電路布局的優(yōu)點是成本較低，因為這個解決方案無需采用變壓器。以下是降壓穩(wěn)壓器的電壓轉(zhuǎn)換公式：Vout=VIN ×D。

2、新型集成開關(guān)DC／DC轉(zhuǎn)換器設計與應用

2.1設計思想

效率及小尺寸解決方案。若需同時實現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率及最小化的解決方案尺寸，那么推薦使用帶集成開關(guān)的感應轉(zhuǎn)換型轉(zhuǎn)換器是一種理想選擇。低功耗DC／DC轉(zhuǎn)換器系列以及與負載點步降DC／DC轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)97％的峰值效率，如T1的TPS6xxxx與TPS54xxx就是一例。其同步校正不僅取代了不便宜的肖特基校正二極管，同時還使轉(zhuǎn)換器效率的提升高達10％。更高的效率意味著電池驅(qū)動應用了額外的操作時間，而大電流應用中更低的功耗也放松了對散熱設計的要求。

因外部僅需電阻、電容及單個電感支持工作，集成的高側(cè)及低側(cè)轉(zhuǎn)換FETs便可有效的降低了占板空間。而取決于不同的輸出電流，其集成開關(guān)DC／DC轉(zhuǎn)換器可采用如下封裝模式：CSP(800mA)、SOT-23(400mA)、QFN-10(1.2A)以及TSSOP-28(13A)，從而更減小了解決方案的尺寸。

關(guān)于輸出電流-輸出電流典型受限于集成FETs的尺寸，并且對于最小輸入電壓來說是額定的，如TPS6xxxx系列。而如TPS54xxx系列輸出電流指示為連續(xù)可用的輸出電流；可實現(xiàn)更高的峰值電流以確保高性能DSP、FPGA及ASIC系統(tǒng)啟動時能有適合的供給。且通過以下方程：

Lout=0.65ⅩIswitch(min) Ⅹ(VinⅩVout)

可實現(xiàn)對輸出電流的粗略估計。對于輸出電流低于300mA及效率低于90％的情況，無電感充電泵DC／DC穩(wěn)壓器會是一個成本及空間效益型的選擇。

關(guān)于輸入電壓-DC／DC轉(zhuǎn)換器能與寬范圍的輸入源協(xié)同運轉(zhuǎn)，包括供電模塊、插頭式電源(wall supply，或稱墻式電源)以及電池。如TPS6xxxx系列及其小外形封裝，低靜態(tài)工作電流都已經(jīng)為低功耗電池驅(qū)動應用作了最優(yōu)化。對于電池驅(qū)動系統(tǒng)來說，輸入電壓隨著電池放電在大范圍內(nèi)變動。因此，轉(zhuǎn)換器的選擇就必須取決于所給定的電池工藝水平及數(shù)量。如TPS54xxx SWlFT系列可工作于預調(diào)節(jié)24V、12V、5V或3.3V的總線電壓。

關(guān)于輸出電壓-當前的高級DSP、FPGA及ASIC芯片要求更低的電源電壓。為實現(xiàn)最大的靈活性，轉(zhuǎn)換器可同時支持額定的及可低至0.7V的可調(diào)節(jié)輸出電壓。

2.2應用舉例——5.5V至36V輸入，3A步降DC／DC轉(zhuǎn)換器TPS5430

TPS5430 3A DC／DC轉(zhuǎn)換器對于采用通用12V或24V電源軌的大范圍應用來說是理想的選擇。采用相應的SWIFT軟件工具能大大地降低開發(fā)時間。圖2為TPS5430功能與應用示意圖。其主要特點為：集成110mΩ N道溝MOSFET；固定的500kHz轉(zhuǎn)換頻率；可調(diào)節(jié)輸出電壓低至1.23V；具有內(nèi)置補償與內(nèi)置慢啟動及內(nèi)置陰極負載二極管(bootstrapdiode)；電壓前饋與內(nèi)置過電流保護及熱關(guān)斷；僅有18μA的關(guān)斷靜態(tài)電流；-40℃至125℃的工作交匯溫度范圍；封裝模式：小型化熱強化型8引腳S01CPower PAD封裝。





應用領域：在消費應用方面，如機頂盒、DVD、LCD顯示；亦可在工業(yè)及車載音頻電源與電池充電器、高功率LED電源及12／24-V分布式電源系統(tǒng)上應用。

3、高與寬輸入范圍DC/DC降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)典型應用舉例

可整合76V輸入、低靜態(tài)電流、2A降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器

圖3(a) MAX5090功能與應用示意圖。其特征為：無需使用MOV或TVS；6.5V至76V寬輸入電壓范圍；承受高達80V汽車甩負載；高性能，滿載下具有92％的高效率，無負載時310μA低靜態(tài)電流，19μA低關(guān)斷電流；為嚴酷的汽車環(huán)境而設計，確保工作在-40℃至+125℃結(jié)溫范圍內(nèi)，打嗝模式短路保護，保持器件涼態(tài)，熱關(guān)斷和短路限流。上述功能可整合在5mm X 5mmTQFN封裝內(nèi)。3.2頻率最高并具有寬輸入電壓范圍(5V至23V)的2A DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX5089見圖3(b)示意。 其特征為：2.2MHz開關(guān)頻率，避免噪聲干擾 敏感的AM波段或ADSL2+頻段；5V±10％或5.5V至23V的寬Vin范圍，適合寬廣的汽車電壓范圍和對xDSL和機頂盒的寬電壓范圍墻上適配器進行穩(wěn)壓及用于控制7V至14V的粗調(diào)中間總線電壓非常理想；高效，同步整流驅(qū)動器允許在寬Vin范圍內(nèi)實現(xiàn)最高效率。 圖3(b)為MAX5089功能與應用示意圖。





4、仿電流感測信號技術(shù)在DC/DC降壓穩(wěn)壓系統(tǒng)設計中應用

4.1仿電流感測信號技術(shù)的引出

降壓穩(wěn)壓器常用的調(diào)制控制方法有電壓模式(VM)、電流模式(CM)及恒定導通時間(COT)等三種。電流模式控制可以輕易提供環(huán)路補償，而且本身還有線路前饋補償，因此頗受電源供應系統(tǒng)設計者的歡迎。一般來說：電壓模式控制不會輕易受噪音的干擾，但瞬態(tài)響應及穩(wěn)定性等方面的表現(xiàn)則不及電流模式。若采用恒定導通時間的控制方法：大部分穩(wěn)定性的問題都會自動消失，而且線路及負載的瞬念響應也較為理想。但采用恒定導通時間控制的穩(wěn)壓器并非以恒定的開關(guān)頻率操作，因此不能與外置時鐘保持同步。





傳統(tǒng)的電流模式控制方法有它的缺點。圖4所示的是采用電流模式控制方法的降壓穩(wěn)壓器的結(jié)構(gòu)框圖。穩(wěn)壓器的輸出電壓不但受監(jiān)控，而且可與參考電壓互相參照比較，一旦出現(xiàn)誤差信號，便會傳送到脈沖寬度調(diào)制器(PWM)。電壓模式與電流模式的控制方式完全不同，原因在于兩者的調(diào)制斜波信號來自不同的信號源。執(zhí)行電流模式控制功能所需的調(diào)制斜波信號是一種與降壓開關(guān)電流成正比的信號。電感器的電流會在開關(guān)導通期間流入降壓開關(guān)。通電后，電感器電流的波形斜率為正數(shù)的(VIN—Vout)/L。降壓開關(guān)電流的測量數(shù)值必須準確，而且有關(guān)數(shù)字要盡快測出，以便產(chǎn)生調(diào)制斜波信號。電流模式控制的主要缺點是很難取得降壓開關(guān)電流信號。

4.2關(guān)于仿電流感測信號技術(shù)的特征

要快速而準確測量降壓開關(guān)的電流并不容易，但可以采用新的方法模擬降壓開關(guān)電流，而無需真正測量電流，避開測量的準確性問題。以降壓穩(wěn)壓器來說，電感器電流是降壓開關(guān)電流及自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管電流的總和(圖5為仿電流感測信號技術(shù)的降壓穩(wěn)壓器波形示意)，降壓開關(guān)電流波形由兩個部分組成，其中有基本或消隱電平信號，也有斜波信號。消隱電平信號是整個開關(guān)周期的最低電感器電流值（谷值)。當降壓開關(guān)啟動，而自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管關(guān)閉的一瞬間，電感器電流便處于最低值。電感器電流處于谷值時，降壓開關(guān)及二極管的電流也同樣處于其最低值。我們可以在降壓開關(guān)啟動前利用采桿及保持的方法進行采樣，以測量自由輪轉(zhuǎn)(續(xù)流)二極管的電流，所得的測量數(shù)值可以用來捕捉消隱電平信號。





降壓開關(guān)電流波形的另—組成部分是信號的斜波。電感器電壓是降壓開關(guān)啟動后的輸入／輸出電壓差。這個電壓有足夠的強度，可將正數(shù)斜率的斜波電流輸入電感器及降壓開關(guān)。斜波電流的斜率為di/dt=(VIN—Vout)/L。可以選擇適當?shù)男辈娙葜礐RAMP，以確保電容器電壓斜率與電感器電流斜率成正比。

4.3仿電流感測信號技術(shù)的應用例舉

4.31圖6是LM25576芯片的方塊圖





這款芯片是新推出的6款高集成度降壓穩(wěn)壓器的其中一款，其特點是采用了上述的仿電流模式控制設計。圖中頂部所示的是降比穩(wěn)壓器一般采用的電源開關(guān).控制器將自由輪轉(zhuǎn)（續(xù)流)二極管的陽極與接地連接一起，而低電流量檢測電阻及放大器則負責測量二極管電流。采樣及保持電路在降壓開關(guān)啟動之前觸發(fā)每一周期的開始。為模擬的電流檢測信號提供消隱電平信號。

LM25576 芯片可以檢測輸入電壓及輸出電壓，以便產(chǎn)生驅(qū)動電流。為外置斜波電容器 CRAMP充電。降壓開關(guān)啟動后的每一周期內(nèi)，電容器電在都會以線性方式上升。降壓開關(guān)關(guān)閉后，斜波電容器便會門行放電。為了確保正常操作，我們設定斜波電容器時，必須確保其電容值與輸出電感器的電感值成正比。開始時最好選用以下的斜波電容值：



公式中的L以Heny為計算單位，而CRAMP 則以Farad為計算單位。產(chǎn)生模擬降壓開關(guān)電流信號的最后一個必要步驟是將采樣及保持電路傳米的消隱電平信號與斜波電容器電壓信號相加。這樣控制器便可發(fā)揮類似峰值電流模式的控制，但電流檢測信號又不會出現(xiàn)延遲及瞬態(tài)響應。

對于操作時占空比超過50％的應用來說，峰值電流模式控制穩(wěn)壓器會出現(xiàn)次諧波的振蕩。若在電流檢測信號之上另外再添加一個固定斜率的電壓斜波信號，便可避免出現(xiàn)這種振蕩。以斜波發(fā)生器電路兒例來說，另外添加的25 μA固定偏置電流可為電容器電壓斜波信號提供額外的固定斜波。至于占空比極高的應用，我們可以采用上拉電阻以補25 μA偏置電流的不足，也可降低斜波電容器的電容值，以便提高斜率，以免穩(wěn)壓器出現(xiàn)次諧波振蕩。

4.32仿電流模式、超高準禍確度的PWM同步降壓控制器

采用LM3495控制器有以下的好處：高度靈敏的亞微米處理器不但在設計上更具靈活性，而且還可添加可靠的保護功能。圖7是LM3495芯片的方塊功能與應用圖。





其產(chǎn)品特征：2.9V至18V的輸入電壓；0.6V至5.5V的可調(diào)節(jié)輸出電壓；反饋電壓準確度為±1％(在指定的溫度范圍內(nèi))；仿電流模式控制可以承受較大的輸入至輸出壓降；只需一個輸入供電便可操作；預先偏壓的啟動至輸出；打嗝模式限流保護，確保耗散更少熱能；具跟蹤能力的內(nèi)部軟啟動；200kHz至1.5MHz的開關(guān)頻率，可調(diào)校至與系統(tǒng)同步，以便控制系統(tǒng)噪聲；采用TSSOP-16封裝。

應用：適用于專用集成電路(ASIC)、FPGA、數(shù)字信號處理器、嵌入式控制器的電源供應系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)以及高輸出電流的電源管理模塊。