降壓DC-DC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

降壓轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)性和工業(yè)上的應(yīng)用之中，其中常需轉(zhuǎn)換器將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換成一較低的輸出電壓?，F(xiàn)有的降壓轉(zhuǎn)換器效率非常好，并能在變化范圍很大的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，仍產(chǎn)生調(diào)節(jié)良好的輸出電壓。

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降壓轉(zhuǎn)換器有很多不同的回路控制方式：

在過去，被廣泛使用的是電壓模式和電流模式，然而近來(lái)恒定導(dǎo)通時(shí)間（COT）架構(gòu)也常被使用，而有些降壓轉(zhuǎn)換器則是同時(shí)由電流模式和恒定導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制的。

此報(bào)告將比較直流降壓變換器架構(gòu)，包括電流模式、電流模式-恒定導(dǎo)通時(shí)間 (CMCOT)。將詳細(xì)解說(shuō)兩種架構(gòu)之間的差異，并將列出每一種架構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)缺點(diǎn)。

1.電流模式降壓轉(zhuǎn)換器

電流模式降壓轉(zhuǎn)換器之內(nèi)部功能框圖顯示于圖一

圖一、電流模式轉(zhuǎn)換器之內(nèi)部功能框圖

在典型的電流模式控制中，會(huì)有一個(gè)恒定頻率來(lái)啟動(dòng)高側(cè)MOSFET，并有一誤差放大器將反饋信號(hào)與參考電壓作比較。然后，電感電流的上升斜率再與誤差放大器的輸出作比較；當(dāng)電感電流超過誤差放大器的輸出電壓時(shí)，高側(cè)MOSFET 即被關(guān)斷 (OFF)，而電感電流則流經(jīng)低側(cè)MOSFET，直等到下一個(gè)時(shí)鐘來(lái)到。

電流斜坡再加上斜率補(bǔ)償之斜坡是為要避免在高占空比時(shí)的次諧波振蕩，并提高抗噪聲性能。電流模式轉(zhuǎn)換器回路帶寬（FBW）是由誤差放大器輸出端的補(bǔ)償元件來(lái)設(shè)定，通常設(shè)在遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。

電流模式轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)變化操作之波形顯示于圖二

圖二、電流模式轉(zhuǎn)換器之穩(wěn)態(tài)與負(fù)載瞬態(tài)的波形

恒定頻率頻率使得電流模式控制的系統(tǒng)對(duì)于負(fù)載的突然變化，反應(yīng)會(huì)相當(dāng)?shù)芈?，尤其是用在低占空比的?yīng)用之中。這是因?yàn)橐坏└邆?cè) MOSFET 被關(guān)斷(OFF) ，它就會(huì)一直保持關(guān)斷，直等到下一個(gè)頻率來(lái)到。當(dāng)轉(zhuǎn)換器試圖滿足新的負(fù)載需求時(shí)，帶寬的大小也限制了可達(dá)到的最大占空比。

在負(fù)載呈現(xiàn)快速步階變化的應(yīng)用中，電流模式轉(zhuǎn)換器則會(huì)產(chǎn)生較大的輸出電壓波動(dòng)。在步階負(fù)載時(shí)，電壓驟降值 ΔV 是和負(fù)載步階的幅度和速率、輸出電容和轉(zhuǎn)換器的帶寬有關(guān)。為確保電流模式轉(zhuǎn)換器有良好的穩(wěn)定性，回路帶寬通常設(shè)在開關(guān)頻率的 1/10 或甚至更低。

電流模式轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)缺點(diǎn)是，控制高側(cè) MOSFET關(guān)斷的決定點(diǎn)是在高側(cè)MOSFET 導(dǎo)通的時(shí)候 (ON)，即在電流與系統(tǒng)的噪聲都較高的時(shí)候。因此有必要要過濾噪聲，并且也對(duì)高側(cè) MOSFET 的最小導(dǎo)通時(shí)間造成一些限制。如此反過來(lái)又限制了降壓轉(zhuǎn)換器的最小占空比范圍。

恒定斜率補(bǔ)償通常也會(huì)在某些特定的輸入和輸出電壓條件下，限制電感值的大小。

電流模式轉(zhuǎn)換器具有的優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部頻率使開關(guān)頻率得以在各種輸入和輸出條件下，都保持非常穩(wěn)定；這在某一些應(yīng)用中是非常重要的。此內(nèi)部頻率也可以與外部頻率信號(hào)同步，所以在相同的頻率下，可運(yùn)作數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)換器。

電流模式降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

·穩(wěn)定的恒定頻率

·可與外部頻率同步

·成熟的技術(shù)

缺點(diǎn)：

·對(duì)快速負(fù)載步階的反應(yīng)較慢

·需誤差放大器補(bǔ)償

·需斜率補(bǔ)償

2.電流模式- COT（CMCOT）降壓轉(zhuǎn)換器

電流模式-COT 降壓轉(zhuǎn)換器之內(nèi)部功能框圖顯示于圖三

圖三、電流模式-恒定導(dǎo)通時(shí)間轉(zhuǎn)換器之內(nèi)部功能框圖

CMCOT降壓轉(zhuǎn)換器并沒有內(nèi)部頻率；高側(cè) MOSFET 會(huì)恒定導(dǎo)通一段預(yù)定導(dǎo)通 (ON) 時(shí)間。占空比是借著改變高側(cè) MOSFET 的關(guān)斷 (OFF) 時(shí)間而調(diào)整的。 CMCOT 轉(zhuǎn)換器也包含了電流檢測(cè)及誤差放大器。然而現(xiàn)在則是用電流的下降斜率和誤差放大器的輸出作比較，所以電流檢測(cè)是藉由低側(cè) MOSFET。這比較容易實(shí)現(xiàn)，而且也較不易受噪聲影響，特別是在低占空比的情況之下，因?yàn)橄到y(tǒng)不需要等待下一個(gè)頻率來(lái)到，所以能較快速地反應(yīng)突然的步階 負(fù)載。一當(dāng)輸出凹陷/下沉，誤差放大器之輸出電壓會(huì)上升，且上升至電流的下降斜率時(shí)，一個(gè)新的導(dǎo)通 (ON) 時(shí)間周期就會(huì)啟動(dòng)，使轉(zhuǎn)換器之電流再次上升。

CMCOT 轉(zhuǎn)換器之穩(wěn)態(tài)和負(fù)載瞬態(tài)變化操作之波形顯示于圖四

圖四、電流模式 – COT 轉(zhuǎn)換器之穩(wěn)態(tài)與負(fù)載瞬態(tài)的波形

電流的谷值是隨著誤差放大器的輸出而定的，因此誤差放大器的增益和速率會(huì)影響轉(zhuǎn)換器之反應(yīng)速率。在CMCOT架構(gòu)中，由補(bǔ)償元件所設(shè)定的最大帶寬是和導(dǎo)通(ON)時(shí)間的倒數(shù)有關(guān)的，并不像電流模式是和開關(guān)頻率有關(guān)。因此CMCOT轉(zhuǎn)換器的帶寬會(huì)比電流模式轉(zhuǎn)換器的帶寬高，而且在快速的負(fù)載步階時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)也較小。CMCOT在高占空比時(shí)，不會(huì)有次諧波振蕩的問題，因此就不需要斜率補(bǔ)償，而這就使得可選擇的電感值范圍更大。

在僅有恒定導(dǎo)通時(shí)間控制之架構(gòu)中，不同輸入和輸出電壓條件下，開關(guān)頻率的變化范圍可能會(huì)很大。然而，CMCOT 轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通 (ON) 時(shí)間是由一個(gè)特殊的電路來(lái)控制的，它會(huì)慢慢地調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間，以調(diào)節(jié)平均的開關(guān)頻率，使其達(dá)到所默認(rèn)的頻率。和電流模式類似的是，在有步階負(fù)載時(shí)，電壓驟降 值 ΔV 是和負(fù)載步階的幅度和速率、輸出電容和轉(zhuǎn)換器的帶寬有關(guān)；而所不同的是地方則是，在 CMCOT 中，由補(bǔ)償元件所設(shè)定的最大帶寬可高于開關(guān)頻率的1/10。

CMCOT也有一些缺點(diǎn)：

由于轉(zhuǎn)換器是由改變頻率來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，所以轉(zhuǎn)換器無(wú)法和外部頻率同步。頻率控制回路的波形也顯示開關(guān)頻率的改變是和負(fù)載的瞬態(tài)變化有關(guān)。

CMCOT 降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

·快速反應(yīng)負(fù)載步階的變化

·低側(cè)電流檢測(cè)

·最低導(dǎo)通時(shí)間小，占空比可較低

·無(wú)需斜率補(bǔ)償

缺點(diǎn)：

·需誤差放大器補(bǔ)償

·無(wú)法與外部頻率同步

·負(fù)載瞬態(tài)變化時(shí)，頻率變化范圍較大

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