深度解析開關(guān)電源中的通用反饋控制架構(gòu)

　　作者：Harmik Singh， Business Development Manager， Torex

? ? ? ? 本文討論了開關(guān)電源中的一些通用反饋控制架構(gòu)。解釋了每種架構(gòu)的優(yōu)缺點，并詳細(xì)討論了 Torex 的 HiSAT-COT? 控制架構(gòu)。HiSAT-COT 專為需要超快速瞬態(tài)響應(yīng)和以固定頻率運行的應(yīng)用而設(shè)計。這些應(yīng)用包括網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備、電源模塊和其他嵌入式產(chǎn)品。

　　開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器通常用于便攜式系統(tǒng)，可最大限度地延長電池壽命。它們可用于有效地將電池電壓降壓或升壓為更高水平。開關(guān)電源提供電壓模式、電流模式和恒定導(dǎo)通時間反饋控制架構(gòu)（圖 1）。脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 和脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 屬于控制輸出電壓的操作模式。PWM 通過調(diào)整開/關(guān)時間比來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，開關(guān)頻率恒定，而 PFM 使用固定開/關(guān)時間比，頻率可變。

圖1：PWM 直流電源可以是電壓模式或電流模式，而 PFM 直流電源則可以是恒定導(dǎo)通時間設(shè)備。（圖片來源：Torex）

　　PWM 和 PFM 之間有什么區(qū)別？

　　PWM 轉(zhuǎn)換器是一種 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，使用了固定頻率振蕩器來驅(qū)動電源開關(guān)并將能量從輸入輸送到輸出。所用驅(qū)動信號的頻率是恒定的，但其占空比（功率 FET 導(dǎo)通時間與總開關(guān)周期之比）卻是變化的。時鐘頻率是固定的，占空比可根據(jù)工作條件進行調(diào)整。

　　使用可變頻率來驅(qū)動 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器中的電源開關(guān)的架構(gòu)稱為 PFM，或稱“脈沖頻率調(diào)制”。直接控制驅(qū)動信號的頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。采用恒定導(dǎo)通時間和恒定關(guān)斷時間控制方式的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器就是典型的 PFM 架構(gòu)實例。

　　電壓模式控制

　　圖 2 顯示了采用電壓模式控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。該架構(gòu)采用了單個電壓反饋路徑。誤差電壓比作 PWM 比較器的斜坡，而 PWM 比較器要驅(qū)動控制塊，以生成 PWM 信號來控制高壓側(cè)開關(guān)。

圖2：采用電壓模式控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。（圖片來源：Torex）

　　電壓模式控制的優(yōu)點包括：

• 　　對噪聲的敏感性少于同等的電流模式控制
• 　　單反饋回路使分析更簡單
• 　　可工作在寬輸入電壓和占空比范圍內(nèi)
• 　　電壓模式控制的缺點包括：
• 　　回路增益與 VIN 成正比
• 　　需要復(fù)雜的補償
• 　　響應(yīng)慢——輸出端會感應(yīng)到輸入電壓的變化
• 　　必須采取單獨的限流

　　圖 3 顯示了采用電流模式控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。該架構(gòu)使用兩個反饋路徑來感應(yīng)輸出電壓和電感器電流。

圖 3：采用電流模式控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。（圖片來源：Torex）

　　電流模式控制的優(yōu)點包括：

• 　　快速響應(yīng)線路和負(fù)載變化
• 　　更容易補償
• 　　限流
• 　　簡化負(fù)載均分
• 　　電流模式控制的缺點包括：
• 　　由于存在兩個回路，因此電路分析更加困難
• 　　功率級中的諧振會將噪聲引入內(nèi)部控制回路1
• 　　需要斜坡補償

　　圖 4 顯示了采用恒定導(dǎo)通時間 （COT） 控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。在 COT 控制架構(gòu)中，沒有時鐘且頻率可變。

圖 4：采用恒定導(dǎo)通時間控制的降壓型電源轉(zhuǎn)換器。（圖片來源：Torex）

　　COT 模式控制的優(yōu)點包括：

• 　　所需的外部組件數(shù)量最少
• 　　快速瞬態(tài)響應(yīng)
• 　　不需要補償
• 　　在寬負(fù)載范圍條件下均具有出色的效率
• 　　COT 模式控制的缺點包括：
• 　　頻率變動
• 　　需要輸出紋波抑制
• 　　對輸出噪聲敏感
• 　　需要過流保護

　　COT 架構(gòu)的最大缺點是就是頻率變動，因為這會在與穩(wěn)壓器相鄰的敏感電路中引起電磁干擾 （EMI）。Torex 通過其專有的 HiSAT-COT 控制架構(gòu)解決了這一缺陷。HiSAT-COT 是能夠?qū)崿F(xiàn)恒定導(dǎo)通時間的高速電路架構(gòu)的代表。圖 5 展示了 COT 與 Torex 的 HiSAT-COT 控制架構(gòu)的比較。

　　圖 5：Torex 的 HiSAT COT 器件與普通 COT 轉(zhuǎn)換器的比較。 （圖片來源：Torex）

　　Torex 的第二代 HiSAT-COT 控制架構(gòu)可提供固定頻率操作模式并提高了輸出精度。 圖 6 顯示了典型的 HiSAT-COT 頻率變化與負(fù)載電流的關(guān)系曲線。

圖 6：Torex 第一和第二代 Hi-SAT COT 器件的頻率變化與負(fù)載電流的關(guān)系（圖片來源：Torex）

　　與市場上的常見 DC-DC 產(chǎn)品相比，HiSAT-COT 控制功能可產(chǎn)生超快速的瞬態(tài)響應(yīng)，如圖 7 所示，且不需要外部補償。當(dāng)施加負(fù)載時，性能提高了約 6 倍，卸除負(fù)載時，性能提高了約 9 倍。

圖 7：Torex 第二代 HiSAT-COT 與標(biāo)準(zhǔn) PWM 控制轉(zhuǎn)換器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)比較。（圖片來源：Torex）

　　第二代 HiSAT-COT 控制架構(gòu)還提高了直流輸出電壓的精度。這是通過出色的溫度補償電壓基準(zhǔn)電路實現(xiàn)的，因為該電路可實現(xiàn) +/-1% FB（頻率帶寬）電壓溫度精度（圖 8）。由于許多 MPU（微處理器單元）負(fù)載要求緊輸入電壓容差，因此需要在低壓下保持高電壓精度。

圖 8：Torex 的第一代和第二代 HiSAT-COT 器件的典型輸出電壓頻率精度。（圖片來源：Torex）

　　Torex 最近宣布推出 XC9281/XC9282 這一全新系列 HiSAT-COT 控制架構(gòu)——超小型 600 mA 降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。該器件工作采用 2.5 V 至 5.5 V 輸入電壓，輸出電壓可在 0.7 V 至 3.6 V 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且僅消耗 11 μA 的靜態(tài)電流。以 6 MHz 的開關(guān)頻率工作時，可以使用尺寸為 1.0 x 0.5 mm 的 0.47 μH 電感器?？墒褂?0.6 x 0.3 mm 的陶瓷電容器作為輸入電容 （CIN） 和輸出電容 （CL）。使用這些組件時可將包括外圍組件在內(nèi)的安裝面積控制在僅為 6.6 mm2。（圖 9）

圖 9：Torex 的 XC9281/XC9282 器件包括外圍組件的安裝面積。（圖片來源：Torex）

　　表 1 列出了 Torex 的第二代 HiSAT-COT 產(chǎn)品。

　　表 1：Torex 的第二代 HiSAT-COT 產(chǎn)品。（圖片來源：Torex）

　　總結(jié)

　　對于想要設(shè)計負(fù)載點電源電路的設(shè)計人員來說，現(xiàn)在有了一系列 Torex 產(chǎn)品可供選擇。這些器件可在較寬的工作條件下實現(xiàn)更高的能效。HiSAT-COT 系列產(chǎn)品可以工作在高開關(guān)頻率下并提供超快速瞬態(tài)響應(yīng)，能夠通過減小電感器和輸出電容器的尺寸來減小整體解決方案的尺寸。

　　參考資料

　　《開關(guān)電源拓?fù)潆妷耗Ｊ綄﹄娏髂Ｊ健?，作?Unitrode 的 Robert Mammano，DN-62，1994 年 6 月。