電流模Buck型DC—DC環(huán)路穩(wěn)定性分析

便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品的深入發(fā)展對電源的要求越來越高，電流模DC—DC轉(zhuǎn)換器具有輸入范圍寬、轉(zhuǎn)化效率高、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)，PDA等便攜式電子產(chǎn)品中。由于這些移動設(shè)備的功能的不斷豐富，要求負(fù)載電流的動態(tài)范圍也越來越大，這就對供電電源的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

近年來，許多改善電流模DC—DC瞬態(tài)響應(yīng)方案被提出。例如文獻(xiàn)提出在補(bǔ)償電路引入新的零點(diǎn)和極點(diǎn)來抵消控制環(huán)路的零極點(diǎn)。雖然文中的轉(zhuǎn)換器獲得了足夠的相位裕度，但這種設(shè)想并沒有得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。文獻(xiàn)提出了一種針對線性穩(wěn)壓器的零極點(diǎn)跟蹤頻率補(bǔ)償，但由于控制策略不同，這種方法并不適合脈沖寬度調(diào)制（PWM）的控制環(huán)路。文獻(xiàn)提出了一種數(shù)字控制方案，但設(shè)計(jì)芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分開銷較大。本文在分析電流模Buck型DC—DC環(huán)路穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提出了一種新穎的控制策略。用采樣電路采樣電感電流，將所得值與一系列基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，所得比較結(jié)果控制誤差放大器輸出級和補(bǔ)償電阻。這樣就實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的主極點(diǎn)和主零點(diǎn)動態(tài)地隨負(fù)載電流調(diào)整。

1. 電流模Buck型DC—DC環(huán)路穩(wěn)定性分析

從圖1中Buck型DC—DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，輸入電壓Vin到輸出電壓Vout之間經(jīng)歷了一個(gè)LC濾波網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)電感和電容是理想情況，得出該濾波網(wǎng)絡(luò)的傳輸函數(shù)

由等式（2）可見LC濾波網(wǎng)絡(luò)存在共軛雙極點(diǎn)。小信號時(shí)，電流流經(jīng)該濾波器會在共軛雙極點(diǎn)處發(fā)生180°相移，從而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。

DC—DC控制方式分為電壓模和電流模兩種。電壓?？刂品绞竭m用于高頻系統(tǒng)中，抗噪性好。但電壓?？刂品绞降娜秉c(diǎn)是環(huán)路補(bǔ)償復(fù)雜，且系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)差。電流模控制方式是在原電壓控制環(huán)的基礎(chǔ)上添加了一個(gè)電流控制環(huán)，實(shí)現(xiàn)雙環(huán)控制。用采樣電路對電感電流進(jìn)行峰值采樣，將采樣的結(jié)果與誤差放大器的補(bǔ)償端進(jìn)行比較，比較結(jié)果用于調(diào)節(jié)開關(guān)信號的占空比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出。由于調(diào)整信號沒有經(jīng)過LC濾波器，避免了LC濾波器的共軛雙極點(diǎn)帶來的困擾。

通過對圖1進(jìn)行小信號建模得出，在忽略輸出電容寄生效應(yīng)的前提下，要使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，必須在補(bǔ)償模塊中出現(xiàn)一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，其中極點(diǎn)盡可能靠近原點(diǎn)，零點(diǎn)用于補(bǔ)償位于輸出級的極點(diǎn)，從而使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)穩(wěn)定的單極點(diǎn)系統(tǒng)。圖2所示的由誤差放大器和電阻電容組成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)這一要求。圖2（b）為圖2（a）的小信號模型。

其中，r0為誤差放大器的輸出阻抗;RCCc為補(bǔ)償電阻和補(bǔ)償電容;AV為運(yùn)放開環(huán)增益。添加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。誤差放大器將ωp1往前推，作為主極點(diǎn)。同時(shí)引入了一個(gè)零點(diǎn)ωz，補(bǔ)償了位于次主極點(diǎn)損失的相位裕度，使系統(tǒng)成為一個(gè)穩(wěn)定的單極點(diǎn)系統(tǒng)。ωp2為位于輸出端的次主極點(diǎn)。由負(fù)載電阻和輸出電阻決定。

2. 改進(jìn)的誤差放大器設(shè)計(jì)

在電流模Buck型DC—DC系統(tǒng)中，誤差放大器作為反饋回路檢測輸出負(fù)載變化的信息，并反映到系統(tǒng)中去。從式（4）得到誤差放大器的輸出阻抗，確定系統(tǒng)主極點(diǎn)的位置，從而得出環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)。

當(dāng)要求系統(tǒng)的負(fù)載電流變化范圍較大且較快速時(shí)，通常設(shè)置的零極點(diǎn)由于不能隨著負(fù)載電流的變化而做出調(diào)整，使系統(tǒng)的帶寬被限定在某一固定值，從而影響系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。設(shè)想如果系統(tǒng)的零極點(diǎn)位置隨著負(fù)載電流的變化而動態(tài)調(diào)整時(shí)，系統(tǒng)的相位裕度就會較固定，從而改善系統(tǒng)在負(fù)載電流變化情況下的瞬態(tài)響應(yīng)。

編輯：hfy