用高級仿真電流模式AECM DC/DC控制拓撲實現(xiàn)快速負載瞬態(tài)響應和低EMI

什么是 AECM 控制？

有許多類型的控制拓撲可解決非隔離開關 DC/DC 轉換器和控制器的特定設計挑戰(zhàn) [1]，包括峰值電流模式控制 (PCM)、電壓模式控制、恒定導通時間 (COT) 控制、 D-CAP2? 控制拓撲及其所有衍生產品。根據(jù)占空比的實現(xiàn)，可以將這些控制拓撲分為兩類：脈寬調制（PWM）技術和脈沖頻率調制（PFM）技術。PWM 技術在用于為通信、音頻和汽車設備供電的 DC/DC 轉換器中很常見。它具有固定且可預測的開關頻率，便于設計低電磁干擾 (EMI) 的輸出濾波器。

PFM 技術在用于為圖形引擎、存儲器、數(shù)字信號處理器和現(xiàn)場可編程門陣列等數(shù)字應用供電的 DC/DC 轉換器中很常見，因為它具有快速的負載瞬態(tài)響應。控制拓撲確實會影響 DC/DC 轉換器設計，并且可能會根據(jù)系統(tǒng)級要求而有所不同，例如紋波、解決方案尺寸、負載瞬態(tài)響應、固定頻率和輕負載效率。沒有單一的控制拓撲適合所有應用。

在本白皮書中，我將介紹一種基于恒定頻率和電感電流的控制拓撲，該拓撲具有智能環(huán)路帶寬控制，稱為高級仿真電流模式 (AECM)。這種新的控制拓撲結合了 PFM 和 PWM 技術的優(yōu)點，顯示出快速負載瞬態(tài)響應和真正的固定開關頻率操作。AECM 可以幫助提高當前使用 PCM 和 PFM 技術的應用程序的性能。

圖 1.

PCM 控制方案框圖。圖片由

Bodo's Power Systems提供

PCM

PCM 是一種流行的 DC/DC 轉換器固定頻率控制拓撲，因為它具有過載保護、準確性和易于補償?shù)奶攸c。圖 1 說明了降壓轉換器的 PCM 控制。

功率級由功率開關和輸出濾波器組成。補償模塊包括輸出分壓器網(wǎng)絡、誤差放大器、參考電壓和補償元件。脈寬調制器使用比較器將電感電流信息與斜率補償斜坡與誤差信號進行比較，從而產生一個寬度可通過誤差信號電平控制的輸出脈沖序列。

如圖 2 所示，內部時鐘啟動一個脈沖，高端場效應晶體管 (FET) 開啟，電感中的電流增加。當檢測到的電流達到控制電壓時，高側 FET 關閉，低側 FET 開啟，直到時鐘的下一個上升沿。在下一個時鐘脈沖產生下一個 PWM 脈沖。因此，取決于時鐘的開關頻率是真正固定的。

圖 2.

PCM 控制方案波形。圖片由

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PCM 控制引入了一個內部電流環(huán)路，它將電感器轉換為電壓控制的電流源。功率級可以近似為一個電流源，為輸出電容和負載電阻的并聯(lián)組合供電，并產生一個低頻極點。功率級還包括一個由輸出電容器設置的高頻零點及其等效串聯(lián)電阻 (ESR)。II型補償通常引入一零一極來補償輸出極點和輸出零點。

使用傳統(tǒng) PCM 控制設備進行設計的工程師更喜歡外部補償，以便為寬輸出電壓范圍的應用實現(xiàn)良好的環(huán)路性能。然而，外部補償使環(huán)路設計復雜化并且需要更多的外部元件。為了簡化設計，越來越多的集成電路 (IC) 制造商開發(fā)了內部補償 PCM 控制器件，將 Type-II 環(huán)路補償與 Rc、Cc1 和 Cc2 集成在一起。Rc 和 Cc1 產生一個固定的內部零點來補償輸出極點，而 Rc 和 Cc2 產生一個固定的內部高頻極點來補償輸出零點。然而，有效輸出電容和負載電阻都會對輸出極點產生影響。為了支持寬輸出電壓范圍或寬輸出電容范圍，您必須將固定內部零設置得相對較低才能獲得良好的穩(wěn)定性。更重要的是，PCM控制的交叉頻率（fc）被設計成滿足fsw/5 < fc < fsw/10。因此，誤差放大器引入了一些延遲，從而限制了負載瞬態(tài)響應。

PCM也有這些缺點：

? 輸出電壓越低，在一定輸出電流下的負載電阻越低。使輸出極點接近固定的內部零點需要較大的輸出電容，從而導致更高的物料清單成本。

? 一些通過鉗位控制電壓以在輕負載下實現(xiàn)高效率的 PCM 器件可能會面臨多脈沖問題，從而導致較大的輸出紋波。

D-CAP2控制方案

D-CAP2 控制方案是自適應 COT 控制的一種變體，在 IC 內部集成了一個仿真斜坡發(fā)生器電路。這種控制方案在降壓轉換器中很受歡迎，因為它簡單且改進了負載瞬態(tài)性能。圖 3 顯示了降壓轉換器的 D-CAP2 控制框圖，而圖 4 顯示了相應的控制波形。

斜坡發(fā)生器（紋波注入發(fā)生器）模擬電感電流信息并將該信息返回到比較器。

圖 3.

D-CAP2? 控制方案框圖。圖片由

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圖 4.

D-CAP2 控制方案波形。圖片由

Bodo's Power Systems提供

當仿真斜坡電壓和反饋電壓低于參考電壓時，比較器輸出變?yōu)楦唠娖揭詥訉〞r間脈沖。導通時間脈沖 (Ton) 的寬度是恒定的，因為它是由自適應導通時間發(fā)生器根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和頻率設置計算得出的。關斷時間取決于電壓紋波，它在線路或負載瞬態(tài)期間有一些變化。結果，開關頻率是偽固定的。在導通期間，高側 FET 開啟，電感電流增加以對輸出電壓充電。導通時間過后，高側 FET 關閉，低側 FET 開啟。輸出電壓下降，直到產生下一個導通時間脈沖。因為 D-CAP2 控制拓撲沒有集成振蕩器或時鐘，導通時間可能會受到從邏輯到驅動器的傳播延遲的影響，從而導致抖動性能不佳。這就是 IC 制造商不容易設計具有 D-CAP2 控制拓撲的高開關頻率降壓轉換器 (2.1 MHz) 的主要原因。此外，仿真斜坡生成電路在不同負載條件下存在不同的失調電壓，導致輸出電壓精度較差。

D-CAP 控制拓撲要求輸出上有一些紋波，低 ESR 電容器可能會成為問題。這就是工程師需要 D-CAP2 控制的原因。D-CAP2 降壓轉換器的內部仿真斜坡發(fā)生器電路也存在一些限制，因此傳統(tǒng)的 D-CAP2 降壓轉換器只能支持高達 7 V 的輸出。還有最低關斷時間要求由于谷底電壓檢測；因此，不建議將 D-CAP2 控制用于大占空比應用。

圖 5.

D-CAP2? 降壓轉換器的波特圖。圖片由

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參考文獻 [2] 提出了 DCAP2 控制拓撲的開環(huán)傳遞函數(shù)。圖 5 顯示了相應的波特圖。仿真斜坡生成模塊引入了一個內部零點，可以消除由輸出電感和電容設置的雙極點，從而使增益圖以每十倍頻的 –20 dB 斜率穿過水平線 0 dB，并提升相位在交叉頻率的余量。等式 1 將開環(huán)傳輸?shù)闹绷髟鲆姹硎緸椋?/p>

G (0) = A × H (0) = A × V (1)

其中 Acp = (R1 + R2)/R2。

由于 Acp 和 Vref 是恒定的，因此直流增益與 VOUT 成反比。如圖 6 所示，如果 VOUT1 > VOUT0 > VOUT2，則直流增益趨勢為 Gain1 < Gain0 < Gain2。對于某個設備，內部零是固定的。假設不同輸出的雙極點相同，則帶寬趨勢為 fBW1 < fBW0 < fBW2。因此，對于 D-CAP2 降壓轉換器，較高的輸出電壓將具有較低的帶寬。

此外，由于占空比不能隨 COT 控制而改變，導通時間發(fā)生器將在環(huán)路中產生延遲因子，從而導致高頻相位下降。更大的占空比意味著更長的導通時間，從而導致更大的相位下降。

圖 6.

D-CAP2? 降壓轉換器在不同 VOUT 條件下的波特圖。圖片由

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AECM 控制優(yōu)勢

AECM 是一種基于固定頻率調制器的新拓撲，具有用于環(huán)路控制的仿真電流信息，結合了 PCM 控制的固定頻率和 D-CAP2 控制拓撲的快速負載瞬態(tài)響應。AECM 的主要特點和優(yōu)勢包括：

真正的固定頻率調制，可以簡化 EMI 濾波器設計，輕松實現(xiàn) 2.1 MHz 等高頻調制。

具有智能環(huán)路帶寬控制的仿真斜坡發(fā)生器電路，可智能調節(jié)直流增益，支持具有良好負載瞬態(tài)性能的寬輸出和高占空比應用。

可以簡化降壓轉換器的 AECM 控制，如圖 7 所示。有兩種基本操作模式，PWM 模式和 PFM 模式，可由模式檢測模塊選擇。電壓環(huán)路中的積分器可以改善輸出電壓精度問題。

圖 7.

AECM 控制框圖。圖片由

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集成振蕩器產生固定時鐘。在 PWM 模式下占空比高于 50% 時，在調制器中實施斜率補償可避免次諧波振蕩。帶有智能環(huán)路帶寬控制電路的仿真斜坡發(fā)生器可以調整直流增益，以在所有輸出軌上實現(xiàn)高帶寬。即使有積分器，與 PCM 控制不同，AECM 控制中的積分器也可以提高輸出電壓精度，而不會直接影響回路響應速度。

AECM 控制的工作原理

PWM操作模式

PWM 模式控制方案類似于 PCM 控制。如下頁圖 8 所示，內部時鐘以一個 onpulse 開頭；高邊 FET 然后開啟，電感中的電流增加。當仿真斜坡電壓、反饋電壓和斜坡補償電壓達到集成參考電壓時，高側 FET 關閉，低側 FET 開啟，直到下一個時鐘周期。因此，在 PWM 模式下，開關頻率是真正固定的。

圖 8.

AECM 控制方案波形：PWM 工作模式（a）；PFM 操作模式 (b)。圖片由

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圖 9 顯示了 AECM 設備的負載瞬態(tài)行為。占空比隨著 VOUT 的減小或增大而增大或減小。

PFM 操作模式

AECM 控制實施 PFM 模式以在輕負載下實現(xiàn)高效率。隨著負載電流的降低，器件從連續(xù)導通模式 (CCM) 進入非連續(xù)導通模式 (DCM)。在這兩種模式下，開關頻率都是固定的；導通脈沖寬度 (Ton) 取決于負載電流。較輕的負載具有較短的噸。AECM 有一個類似于 D-CAP2 控制拓撲的準時發(fā)生器，但該發(fā)生器在 PWM 模式下被禁用。

圖 9.

占空比隨負載電流的變化：負載升壓 (a)；負載降壓 (b)。圖片由

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隨著負載電流的進一步降低，Ton 降低到內部鉗位導通時間，而 AECM 設備進入 PFM 模式，內部時鐘被阻止并啟用導通時間發(fā)生器。如圖 8 所示，PFM 模式的控制方案類似于 D-CAP2 控制方案。下頁的圖 10 顯示了 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉換波形。

圖 10.

AECM 的 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉換波形：PWM 模式到 PFM 模式（a）；PFM 模式轉為 PWM。圖片由

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智能環(huán)路帶寬控制

與 PCM 控制不同，直接電感電流信息位于環(huán)路中，AECM 使用仿真電感電流信息。AECM 控制的輸出濾波器引入了一個雙極點，類似于 D-CAP2 控制拓撲。因此，AECM 控制的波特圖類似于 D-CAP2 控制拓撲。

在 D-CAP2 控制中，Acp 是恒定的，開環(huán)傳遞函數(shù)的直流增益隨 VOUT 而變化。在 AECM 控制中，Acp 根據(jù) VOUT 設置適應 R2 的變化值，以使 Acp × VOUT 保持恒定值以獲得固定的直流增益。如圖 11 所示，假設不同輸出的雙極點相同，與 D-CAP2 控制的環(huán)路帶寬相比，不同輸出下的環(huán)路帶寬應該更接近。

下頁的圖 12 顯示了在不同 VOUT 條件下 AECM 控制的測量波特圖。直流增益幾乎相同。由于輸出雙極移，交叉頻率和相位裕度略有不同。

表 1 比較了傳統(tǒng)的 PCM 降壓轉換器和 AECM 降壓轉換器。下頁的表 2 比較了 D-CAP2 降壓轉換器和 AECM 降壓轉換器。

圖 11.

AECM 不同 VOUT 條件下的波特圖。圖片由

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表 1.

比較 PCM 和 AECM 降壓轉換器。

表 2.

比較 D-CAP2? 降壓轉換器和 AECM 降壓轉換器。

圖 12.

5V 和 1.05V 輸出的測量波特圖。圖片由

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結論

具有適用于 DC/DC 轉換器的 AECM 控制拓撲的設備可以實現(xiàn)具有真正固定頻率的快速負載瞬態(tài)響應，同時保持寬輸出電壓和低設計成本。這種新的控制拓撲已在多個產品中實施，具有良好的性能、易用性和較小的解決方案尺寸。