電壓模式、遲滯或基于遲滯三種控制拓?fù)湓鯓舆x擇？

每一位電源工程師都熟知并學(xué)習(xí)過(guò)電壓模式和電流模式控制這些傳統(tǒng)的控制拓?fù)?，但卻不太了解基于遲滯的拓?fù)浼捌鋬?yōu)勢(shì)。雖然純遲滯控制對(duì)于諸如醫(yī)療或工業(yè)自動(dòng)化等特定應(yīng)用可能并不實(shí)用，然而許多比較新的電源拓?fù)涠际腔谶t滯的，并且擁有旨在克服純遲滯控制的缺陷的額外特性。此類拓?fù)浔贿\(yùn)用于從處理器內(nèi)核供電到汽車系統(tǒng)等廣泛領(lǐng)域。

幾乎所有的電源均是專為提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓或電流而設(shè)計(jì)的。提供這種輸出調(diào)節(jié)功能需要一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)和即將被調(diào)節(jié)的輸出電壓或電流的反饋。盡管有很多種用于對(duì)可用反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟煌刂仆負(fù)?，但它們通常都可以被歸為兩類：脈寬調(diào)制 （PWM） 或遲滯。在這兩種基本拓?fù)涞幕A(chǔ)上演變出了第三種拓?fù)?，其為此二者的融合：基于遲滯的拓?fù)洹ａ槍?duì)不同的應(yīng)用，這些控制拓?fù)涓饔袃?yōu)缺點(diǎn)。

電壓模式控制

脈寬調(diào)制 （PWM） 控制被歸為兩種基本類型：電壓模式和電流模式。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文只討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控制。有關(guān)電壓模式與電流模式更為詳細(xì)的比較，請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn) 1。圖 1 示出了降壓轉(zhuǎn)換器中電壓模式控制的基本方框圖 2。

圖 1：電壓模式控制包括了誤差放大器、時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 （VREF）

當(dāng)采用電壓模式控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，它通過(guò)一個(gè)連接至其反饋 （FB） 輸入的阻性分壓器來(lái)檢測(cè)輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨后將該FB信號(hào)與一個(gè)高準(zhǔn)確度內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。圍繞誤差放大器的環(huán)路補(bǔ)償電路負(fù)責(zé)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

電壓模式控制擁有諸多的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)僅調(diào)節(jié)輸出電壓和其他良好受控的內(nèi)部信號(hào)（比如：時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓），該拓?fù)渚邆浞浅?qiáng)的抗噪聲能力。而且它還相當(dāng)?shù)睾?jiǎn)單明了。利用輸入電壓前饋保持了簡(jiǎn)單性，以在不斷變化的輸入電壓條件下維持恒定的環(huán)路增益。此外，輸入電壓前饋還可大幅改善針對(duì)線路電壓瞬變的響應(yīng)。最后，時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率的控制，包括使電路同步至一個(gè)外部時(shí)鐘源的可能性。

電壓模式控制的主要劣勢(shì)是必需的環(huán)路補(bǔ)償及對(duì)應(yīng)的環(huán)路帶寬限制。就其本質(zhì)而言，電壓模式控制在功率級(jí)中引入了一個(gè)雙極點(diǎn)，該雙極點(diǎn)位于輸出濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，因而需要在誤差放大器的周圍布設(shè)兩個(gè)正確定位的零點(diǎn)。由于該雙極點(diǎn)的頻率通常很低，因而環(huán)路帶寬被限制在較低的水平。一般情況下，其被限制為不超過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的 1/10。這對(duì)電源的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響。因此，設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)增加輸出電容來(lái)獲得更好的瞬態(tài)結(jié)果，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本升高。

考慮到以上的利弊權(quán)衡，電壓模式控制仍然是頗具價(jià)值的，尤其在那些對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中。電壓模式控制的高噪聲耐受性及其可同步至一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的能力使其很適合于對(duì)噪聲最為敏感的應(yīng)用，例如：醫(yī)療和儀表設(shè)備等。

遲滯控制

純粹和基本形式的遲滯控制是極其簡(jiǎn)單的 － 所有控制拓?fù)渲凶詈?jiǎn)單的一種（圖 2）3。在其端子之間具有某些小遲滯的比較器通過(guò)FB輸入將輸出電壓直接與高準(zhǔn)確度的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 VREF 進(jìn)行比較。

圖 2：簡(jiǎn)單的遲滯控制拓?fù)渲恍枰粋€(gè)比較器和內(nèi)部 VREF

這種直接控制輸出電壓的優(yōu)勢(shì)在于控制環(huán)路的速度。當(dāng)輸出電壓由于瞬變的原因而發(fā)生變化時(shí)，控制環(huán)路開(kāi)始做出反應(yīng)所需的時(shí)間僅受限于比較器和柵極驅(qū)動(dòng)器中的傳播延遲。誤差信號(hào)不必穿過(guò)低帶寬誤差放大器。因此，遲滯拓?fù)涫撬俣茸羁斓目刂仆負(fù)洹?/p>

此外，其工作原理的簡(jiǎn)單性還使其能在無(wú)需任何環(huán)路補(bǔ)償?shù)那闆r下保持固有的穩(wěn)定性。而且這種簡(jiǎn)單性也使之成為一種低成本的拓?fù)?。在電源中沒(méi)有需要設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試的振蕩器或誤差放大器。控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作僅需一個(gè)基本的比較器即可。

遲滯拓?fù)涞闹饕毕菔瞧溟_(kāi)關(guān)頻率變化。沒(méi)有負(fù)責(zé)設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)鐘或同步信號(hào)。取而代之的是，開(kāi)關(guān)頻率由遲滯量以及外部組件和工作條件來(lái)設(shè)定。

當(dāng)采用純遲滯轉(zhuǎn)換器時(shí)，預(yù)計(jì)在輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)將發(fā)生很大的頻率變化。而且，如果不采用一個(gè)高增益誤差放大器的話，所實(shí)現(xiàn)的輸出電壓的DC設(shè)定點(diǎn)有可能不如采用電壓模式控制時(shí)那么精準(zhǔn)。最后，遲滯控制需要利用輸出電容器中的等效串聯(lián)電阻 （ESR）。因此，當(dāng)運(yùn)用純遲滯拓?fù)鋾r(shí)，一般不能使用 ESR 極小的陶瓷輸出電容器。

但是，在某些低功率、非常低成本的應(yīng)用中（比如：玩具），由于此類終端設(shè)備的價(jià)位非常之低，而且其低功率在遲滯電源的寬開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾 （EMI） 水平很低，因此遲滯轉(zhuǎn)換器也許是可以接受的。另外，具有非常嚴(yán)酷之瞬變的系統(tǒng)需要采用遲滯或基于遲滯的拓?fù)鋪?lái)維持可接受的輸出電壓調(diào)節(jié)。假如這些系統(tǒng)的輸入電壓、輸出電壓和其他工作條件處于良好受控的狀態(tài)，則開(kāi)關(guān)頻率被保持在一個(gè)可接受的范圍之內(nèi)。這使得遲滯控制成為那些依靠一個(gè)固定輸入電壓運(yùn)作并產(chǎn)生一個(gè)固定輸出電壓的應(yīng)用的有效選擇。

基于遲滯的控制

許多控制拓?fù)鋸母旧险f(shuō)都是遲滯的，但其包含了其他旨在克服頻率變化和其他純遲滯拓?fù)渚窒扌缘碾娐?。例如，它們包括D-CAP、D-CAP2、COT、具有 ERM 的 COT 和DCS-Control拓?fù)?。本文僅分析和比較DCS-Control 4 及相似器件。

根本上說(shuō)，DCS-Control（采用至節(jié)能模式的無(wú)縫轉(zhuǎn)換的直接控制）是一種遲滯拓?fù)?，但其融合了電壓模式和電流模式的某些特性（圖 3）。和在電壓模式控制中一樣，遲滯比較器將一個(gè)誤差放大器的輸出與一個(gè)鋸齒波形進(jìn)行比較。

圖 3：在基于遲滯的 DCS-Control拓?fù)渲?，誤差放大器和內(nèi)部 VREF與電壓模式控制中的相同，而遲滯比較器則取自遲滯拓?fù)?。?dǎo)通定時(shí)器 （on timer） 是基于遲滯的拓?fù)渌赜械?/p>

該鋸齒波并非產(chǎn)生自某個(gè)時(shí)鐘，而是通過(guò)一個(gè)與輸出電壓直接相連的特殊電路產(chǎn)生在VOS輸入引腳上。實(shí)質(zhì)上，遲滯比較器仍然具有一個(gè)通過(guò)該VOS引腳至輸出電壓的直接連接，并接入了一個(gè)高增益誤差放大器以提供非常優(yōu)良的輸出電壓設(shè)定點(diǎn)準(zhǔn)確度。

除了將取自遲滯和電壓模式拓?fù)涞倪t滯比較器與誤差放大器加以組合之外，DCS-Control還運(yùn)用了一種導(dǎo)通時(shí)間電路以控制開(kāi)關(guān)頻率。最后，內(nèi)置了必需的環(huán)路補(bǔ)償功能電路以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。

DCS-Control的主要優(yōu)點(diǎn)是可保持遲滯轉(zhuǎn)換器非?？斓乃矐B(tài)響應(yīng)以及電壓模式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓準(zhǔn)確度，同時(shí)克服了這兩種拓?fù)淦渌年P(guān)鍵缺陷，即：緩慢的響應(yīng)時(shí)間、有限的控制環(huán)路帶寬和頻率變化。

由于VOS引腳提供了輸出電壓的直接控制，因此輸出電壓的任何變化都將直接通過(guò)控制環(huán)路傳播，而不會(huì)受到誤差放大器帶寬的限制。這將大大加快瞬態(tài)響應(yīng)速度。

就目前的DCS-Control實(shí)施方案而言，其主要缺點(diǎn)是無(wú)法同步至一個(gè)時(shí)鐘。作為一種基于遲滯的拓?fù)?，其并未提供時(shí)鐘輸入信號(hào)，而是提供了一個(gè)在各種工作條件下變化極小的受控開(kāi)關(guān)頻率。在某些場(chǎng)合中，該變化小于電壓模式轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘頻率容差。

諸如 DCS-Control等基于遲滯的拓?fù)淦渥罴训氖褂脠?chǎng)合是那些會(huì)遭遇大的瞬變并需要極高輸出電壓準(zhǔn)確度的應(yīng)用。此類應(yīng)用包括為嵌入式或計(jì)算系統(tǒng)中的處理器內(nèi)核供電，以及工業(yè)自動(dòng)化和汽車信息娛樂(lè)系統(tǒng)。

結(jié)論

對(duì)于不同的應(yīng)用，“電壓模式”、“遲滯”和“基于遲滯”等三種主要的電源控制拓?fù)涓饔袃?yōu)劣。雖然大多數(shù)電源工程師都習(xí)慣并樂(lè)于使用電壓模式控制，但遲滯和基于遲滯的拓?fù)鋮s能提供同類最佳的瞬態(tài)響應(yīng)，而且應(yīng)當(dāng)就諸如處理器內(nèi)核供電等需要這種快速響應(yīng)速度的應(yīng)用對(duì)其做深入探究。由于每種控制拓?fù)涠加袛?shù)量極為龐大的設(shè)備在使用，因此意味著對(duì)于幾乎所有的應(yīng)用而言都很可能有一種最優(yōu)的電源解決方案。