用于PWM 信號(hào)發(fā)生的開關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)

　　開關(guān)式 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換器（“穩(wěn)壓器”）有兩個(gè)組成部分：控制器和功率級(jí)。 功率級(jí)含有開關(guān)元件，并將輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。 控制器監(jiān)控開關(guān)操作，以調(diào)節(jié)輸出電壓。 這兩個(gè)組成部分通過(guò)反饋回路相連，將實(shí)際輸入電壓與所需輸出比較，得到誤差電壓。

　　控制器是電源穩(wěn)定和精度的關(guān)鍵，幾乎所有設(shè)計(jì)都使用脈寬調(diào)制 （PWM） 技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 產(chǎn)生 PWM 信號(hào)有兩個(gè)主要方法：電壓模式控制和電流模式控制。 電壓模式控制法首先出現(xiàn)，但有不足之處，如對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)慢、回路增益隨輸入電壓變化，這促使工程師們開發(fā)出一種替代方法——電流模式法。

　　如今，工程師們可以有眾多使用這兩種控制技術(shù)的模塊可選。 這些產(chǎn)品運(yùn)用的技術(shù)克服了前代產(chǎn)品的重大缺陷。

　　本文介紹開關(guān)穩(wěn)壓器中用于 PWM 信號(hào)發(fā)生的電壓和電流模式控制技術(shù)，并解釋每個(gè)應(yīng)用最適合的情形。

　　電壓模式控制

　　設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)電源時(shí)既可以采用分立元件（請(qǐng)參見(jiàn) TechZone 中的《DC/DC 穩(wěn)壓器：如何在分立式和模塊化設(shè)計(jì)之間選擇》）進(jìn)行構(gòu)建，也可以使用獨(dú)立控制器和功率元件或使用將這兩元件合并到單個(gè)芯片中的電源模塊來(lái)構(gòu)建。

　　但是無(wú)論采用那種設(shè)計(jì)技術(shù)，基本上都需要采用固定頻率（通常如此）PWM 技術(shù)來(lái)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。 （之所以需要固定開關(guān)頻率，是因?yàn)樗芤种齐娫串a(chǎn)生的電磁干擾 （EMI）。）

　　在電壓模式控制型穩(wěn)壓器中，通過(guò)將控制電壓 （VC） 施加到比較器一個(gè)輸入，然后將由時(shí)種產(chǎn)生的固定頻率鋸齒電壓（Vramp，或 “PWM ramp”）施加到比較器的另一個(gè)輸入來(lái)產(chǎn)生 PWM 信號(hào)（參見(jiàn)圖 1）

　　圖 1：用于開關(guān)穩(wěn)壓器的 PWM 發(fā)生器。 （感謝 Texas Instruments 提供資料）

　　PWM 信號(hào)的占空比與控制電壓成正比，并決定開關(guān)元件的導(dǎo)通時(shí)間的百分比，因此反過(guò)來(lái)也決定輸出電壓（參見(jiàn) TechZone 文件《使用 PFM 改進(jìn)開關(guān) DC/DC 穩(wěn)壓器的低載能效》。） 控制電壓源自實(shí)際輸出電壓和所需輸出電壓（或基準(zhǔn)電壓）之差。

　　調(diào)制器增益 Fm 定義為引起占空比從 0 增大至 100 （Fm = d/VC = 1/Vramp） 的控制電壓變化。1

　　圖 2 顯示了典型開關(guān)穩(wěn)壓器的構(gòu)建塊。 功率級(jí)由開關(guān)、二極管、電感器、變壓器（用于隔離式設(shè)計(jì)）以及輸入和輸出電容器組成。 功率級(jí)將輸入電壓 （VIN） 轉(zhuǎn)換為輸出電壓 （VO）。 穩(wěn)壓器控制部分有一個(gè)誤差放大器，該放大器的兩個(gè)輸入分別連接基準(zhǔn)電壓（即所需輸出電壓）和分壓器輸出。 分壓器從該輸出接受反饋跟蹤信號(hào)。 誤差放大器輸出提供控制電壓（VC 或“誤差電壓”），形成 PWM 比較器的輸一個(gè)輸入。2

　　圖 2：電壓模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器的控制部分和功率級(jí)。 （感謝 Microsemi 提供資料）

　　電壓模式控制的優(yōu)勢(shì)包括：?jiǎn)畏答伝芈肥乖O(shè)計(jì)和電路分析更容易；使用大幅度斜坡波形提供了良好的噪聲裕量，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的調(diào)制過(guò)程；以及低阻抗功率輸出提供更好的交叉調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)多輸出供電。

　　但是這種技術(shù)也有一些明顯的不足。 例如，必須首先將負(fù)載變化檢測(cè)為一種輸出變化，然后由反饋回路校正，從而造成響應(yīng)慢。 輸出濾波器使電路補(bǔ)償變得復(fù)雜，且回路增益隨輸入電壓變化，甚至?xí)惯@種補(bǔ)償變得更困難。

　　電流模式控制

　　在上世紀(jì)八十年代早期，工程師們?yōu)殚_關(guān)電壓穩(wěn)壓器技術(shù)開發(fā)一種替代技術(shù)，克服了電壓模式控制法的不足。 稱之為電流模式控制，這種技術(shù)源自 PWM 斜坡，通過(guò)增加第二個(gè)回路來(lái)提供電感器電流反饋。 這種反饋信號(hào)由兩個(gè)部分組成：AC 紋波電流和 DC 電流或電感電流的平均值。 該反饋信號(hào)的放大形式被傳送到 PWM 比較器的一個(gè)輸入，而誤差電壓則構(gòu)成其另一個(gè)輸入。 與電壓模式控制方法一樣，系統(tǒng)時(shí)鐘決定 PWM 信號(hào)頻率（圖 3）。

　　圖 3：采用電流模式控制的開關(guān)穩(wěn)壓器。 這里的 PWM 斜坡從源自輸出電感器電流的信號(hào)產(chǎn)生。 （感謝 Texas Instruments 提供資料）

　　電流模式控制解決電壓模式控制響應(yīng)慢的問(wèn)題，因?yàn)殡姼衅麟娏麟S著輸入和輸出電壓差所決定的斜率而提升，從而因此能立即響應(yīng)線路或負(fù)載電壓變化。 另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，電流模式控制法消除了電壓模式控制法中輸入電壓不足引起的回路增益差異。

　　而且，由于在電流模式控制電路中，誤差比較器控制輸出電流而非電壓，因此輸出電感器對(duì)電路響應(yīng)的影響就會(huì)降到最小，且更易進(jìn)行補(bǔ)償。 相比電壓模式控制器件，這種電路也具較高的增益帶寬。

　　電流模式控制的其它好處包括，通過(guò)對(duì)來(lái)自誤差放大器的指令進(jìn)行箝位，從而對(duì)固有逐脈沖電流進(jìn)行限制，以及并接多個(gè)電源裝置時(shí)簡(jiǎn)化負(fù)載共享。

　　人們?cè)?jīng)一度認(rèn)為電流模式控制會(huì)讓電壓控制模式成為歷史。 但是，盡管如此，工程師們發(fā)現(xiàn)電流模式控制穩(wěn)壓器為他們?cè)O(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

　　主要不足是電路分析難度加大，因?yàn)榉€(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中現(xiàn)在包括了兩個(gè)反饋回路。 第二個(gè)復(fù)雜因素是，“內(nèi)部”控制回路（帶有電感器電流信號(hào)）在占空比高于 50% 時(shí)不穩(wěn)定。 另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是，由于控制回路源自電感器輸出電流，因此來(lái)自功率級(jí)的諧振會(huì)在內(nèi)部控制回路中產(chǎn)生噪聲。3

　　將電流模式控制穩(wěn)壓器的占空比限制在 50% 以內(nèi)時(shí)會(huì)嚴(yán)重限制設(shè)備輸入電壓。 幸運(yùn)的是，不穩(wěn)定性問(wèn)題可以通過(guò)在內(nèi)部回路中“注入”少量斜率補(bǔ)償來(lái)解決。 這種技術(shù)能確保在所有 PWM 占空比下都能穩(wěn)定運(yùn)行。

　　斜率補(bǔ)償通過(guò)從誤差放大器輸出提取鋸齒電壓波形（運(yùn)行在時(shí)鐘頻率下）來(lái)實(shí)現(xiàn)。 此外，補(bǔ)償斜率電壓可以直接加到電感器電流信號(hào)上（圖 4）。

　　圖 4：采用斜率補(bǔ)償?shù)碾娏髂Ｊ娇刂品€(wěn)壓器。 （感謝 Texas Instruments 提供資料）

　　數(shù)據(jù)分析顯示，為保證電流回路的穩(wěn)定性，補(bǔ)償斜坡的斜率必須大于電流波形下降斜率的一半。4

　　市面上有多種電流模式控制穩(wěn)壓器在售。例如Microsemi 提供的 NX7102 就是采用電流模式控制的同步降壓穩(wěn)壓器。 該芯片可接受 4.75 至 18 V 的輸入范圍，并提供低至 0.925 V 的可調(diào)輸出。最大輸出電流為 3 A，且峰值能效在 90% 到 95% 之間，具體取決于輸入電壓。

　　就其本身而言，Texas Instruments 提供了廣泛的電流模式控制穩(wěn)壓器選擇。 TPS63060 就是一例，這是一個(gè)同步升壓型 2.4 MHz 穩(wěn)壓器，能從 2.5 到 12 V 電源提供 2.5 至 8 V 輸出（在高達(dá) 1 A 電流時(shí)）。 該器件能效高達(dá) 93%，針對(duì)如便攜式計(jì)算機(jī)和工業(yè)計(jì)量設(shè)備等移動(dòng)應(yīng)用。

　　STMicroelectronics 也供應(yīng)各種各樣的電流模式控制器件，包括 STBB2。 這是一個(gè)同步升壓型 2.5 MHz 穩(wěn)壓器，從 2.4 到 5.5 V 電源提供 2.9 至 3.4 V 的輸出。 該器件能以 90% 的能效供應(yīng)高達(dá) 800 mA 的電流，它采用球柵陣列 （BGA） 封裝。

　　電壓模式起死回生

　　隨便看一下一些半導(dǎo)體廠商的產(chǎn)品目錄即可發(fā)現(xiàn)，電壓模式控制穩(wěn)壓器并沒(méi)有消失。 之所以這樣，是因?yàn)檫@些器件以前各代產(chǎn)品的不足已經(jīng)通過(guò)使用一種稱為電壓前饋的技術(shù)解決了。

　　電壓前饋是通過(guò)修正電壓與輸入電壓成正比的 PWM 斜坡波形的斜率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 這樣提供了一種一致的糾正型占空比調(diào)制，且獨(dú)立于反饋回路。

　　這種技術(shù)改進(jìn)了對(duì)線路和負(fù)載瞬變的電路響應(yīng)，同時(shí)消除了對(duì)存在輸入濾波器的敏感性。 電壓前饋同時(shí)穩(wěn)定了回路增益，以使其不再隨輸入電壓變化。 稍有不足的是，某種程度上增加了電路復(fù)雜性，因?yàn)樾枰粋€(gè)傳感器檢測(cè)輸入電壓。

　　各大元件廠商提供了眾多電壓模式控制穩(wěn)壓器供工程師選擇。 例如，Maxim 的產(chǎn)品組合中就有多種電壓模式控制器件，包括 MAX5073。 這款開關(guān)穩(wěn)壓器是一款升壓型 2.2 MHz 器件，工作在 5.5 到 23 V 電源下，并能產(chǎn)生 0.8 到 28 V 輸出。在升壓模式下，該穩(wěn)壓器能夠提供 2 A 電流。

　　類似的，Intersil 提供的 ISL9110A 也是一款采用電壓控制的 2.5 MHz 開關(guān)穩(wěn)壓器。 該器件由一個(gè) 1.8 到 5.5 V 輸入電壓驅(qū)動(dòng)，并以 1.2 A 電流提供 3.3 V 輸出，能效達(dá) 95%。

　　就其本身而言，International Rectifier 提供了 IR3891，這是一款具有 1 至 21 V 寬輸入范圍的電壓模式控制升壓穩(wěn)壓器，輸出范圍為 0.5 到 18.06 V。該芯片的開關(guān)頻率范圍為 300 KHz 到 1.5 MHz，且能提供高達(dá) 4 A 的電流。IR3891 具有兩個(gè)輸出。

　　技術(shù)的選擇

　　基本上所有開關(guān)穩(wěn)壓器均采用 PWM 控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)元件。 PWM 信號(hào)既可以從與運(yùn)行在時(shí)鐘頻率下的鋸齒波形相結(jié)合的控制電壓（源自從基準(zhǔn)電壓提升的輸出電壓）產(chǎn)生，也可以通過(guò)增加第二個(gè)回路將電流控制模式的電感電流饋回的方式來(lái)產(chǎn)生。 通過(guò)采用象用于電壓控制設(shè)計(jì)的電壓前饋和用于電流模式裝置的斜率補(bǔ)償之類技術(shù)，現(xiàn)代器件已經(jīng)完全克服了原有設(shè)計(jì)的主要不足。

　　正是由于這些創(chuàng)新，使得工程師們對(duì)這兩種拓?fù)漕愋投加袚碛袕V泛的選擇。 當(dāng)寬輸入線路或輸出負(fù)載變化可能時(shí)、或處于輕負(fù)載條件下（當(dāng)電流模式控制斜坡的斜率太淺，不足以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 PWM 操作時(shí)）、或在噪聲應(yīng)用中（功率級(jí)產(chǎn)生的噪聲需要找到方式回到電流模式控制反饋回路中），以及為實(shí)現(xiàn)良好的交叉調(diào)節(jié)需要多個(gè)輸出電壓時(shí)，推薦使用電壓模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器。

　　對(duì)于提供的輸出是高電流或較高電壓，需要在特定頻率具有最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，輸入電壓變化受限，以及元件成本和數(shù)量必須降到最小的應(yīng)用，推薦使用電流模式控制器件。