開關(guān)電源的建模和環(huán)路補償設(shè)計(1):小信號建模的基本概念和方法(二)
用電壓模式控制閉合反饋環(huán)路
輸出電壓可以由閉合的反饋環(huán)路系統(tǒng)調(diào)節(jié)。例如,在圖 12 中,當(dāng)輸出電壓 VOUT 上升時,反饋電壓 VFB 上升,負(fù)反饋誤差放大器的輸出下降,因此占空比 d 下降。結(jié)果,VOUT 被拉低,以使 VFB = VREF。誤差運算放大器的補償網(wǎng)絡(luò)可以是 I 型、II 型或 III 型反饋放大器網(wǎng)絡(luò)。只有一個控制環(huán)路調(diào)節(jié) VOUT。這種控制方法稱為電壓模式控制。凌力爾特公司的 LTC3861 和 LTC3882就是典型的電壓模式降壓型控制器。
圖 12:具閉合電壓反饋環(huán)路的電壓模式降壓型轉(zhuǎn)換器方框圖
為了優(yōu)化電壓模式 PWM 轉(zhuǎn)換器,如圖 13 所示,通常需要一種復(fù)雜的 III 型補償網(wǎng)絡(luò),以憑借充足的相位裕度設(shè)計一個快速環(huán)路。如等式 7 和圖 14 所示,這種補償網(wǎng)絡(luò)在頻率域有 3 個極點和兩個零點:低頻積分極點 (1/s) 提供高的 DC 增益,以最大限度減小 DC 調(diào)節(jié)誤差,兩個零點放置在系統(tǒng)諧振頻率 f0 附近,以補償由功率級的 L 和 C 引起的 –180° 相位延遲,在 fESR 處放置第一個高頻極點,以消除 COUT ESR 零點,第二個高頻極點放置在想要的帶寬 fC 以外,以衰減反饋環(huán)路中的開關(guān)噪聲。III 型補償相當(dāng)復(fù)雜,因為這種補償需要 6 個 R/C 值。找到這些值的最佳組合是個非常耗時的任務(wù)。
圖 13:用于電壓模式轉(zhuǎn)換器的 III 型反饋補償網(wǎng)絡(luò)
圖 14:III 型補償 A(s) 提供 3 個極點和兩個零點,以實現(xiàn)最佳的總體環(huán)路增益 TV(s)
為了簡化和自動化開關(guān)模式電源設(shè)計,凌力爾特開發(fā)了 LTpowerCAD 設(shè)計工具。這工具使環(huán)路補償設(shè)計任務(wù)變得簡單多了。LTpowerCAD 是一款可在 www.linear.com.cn/LTpowerCAD 免費下載的設(shè)計工具。該軟件幫助用戶選擇電源解決方案、設(shè)計功率級組件以及優(yōu)化電源效率和環(huán)路補償。如圖 15 例子所示,就給定的凌力爾特電壓模式控制器而言 (例如 LTC3861),其環(huán)路參數(shù)可用該設(shè)計工具建模。對于一個給定的功率級,用戶可以確定極點和零點位置 (頻率),然后按照該軟件的指導(dǎo),帶入真實的 R/C 值,實時檢查總體環(huán)路增益和負(fù)載瞬態(tài)性能。之后,設(shè)計方案還可以輸出到一個 LTspice 仿真電路上,進(jìn)行實時仿真。
(a) LTpowerCAD 功率級設(shè)計頁面
(b) LTpowerCAD 環(huán)路補償和負(fù)載瞬態(tài)設(shè)計頁面
圖 15:LTpowerCAD 設(shè)計工具減輕了電壓模式轉(zhuǎn)換器 III 型環(huán)路設(shè)計的負(fù)擔(dān)
為電流模式控制增加電流環(huán)路
單一環(huán)路電壓模式控制受到一些限制。這種模式需要相當(dāng)復(fù)雜的 III 型補償網(wǎng)絡(luò)。環(huán)路性能可能隨輸出電容器參數(shù)及寄生性變化而出現(xiàn)大幅改化,尤其是電容器 ESR 和 PCB 走線阻抗。一個可靠的電源還需要快速過流保護(hù),這就需要一種快速電流檢測方法和快速保護(hù)比較器。對于需要很多相位并聯(lián)的大電流解決方案而言,還需要一個額外的電流均分網(wǎng)絡(luò) / 環(huán)路。
給電壓模式轉(zhuǎn)換器增加一個內(nèi)部電流檢測通路和反饋環(huán)路,使其變成一個電流模式控制的轉(zhuǎn)換器。圖 16 和 17 顯示了典型峰值電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器及其工作方式。內(nèi)部時鐘接通頂端的控制 FET。之后,只要所檢測的峰值電感器電流信號達(dá)到放大器 ITH 引腳電壓 V C,頂端的 FET 就斷開。從概念上來看,電流環(huán)路使電感器成為一個受控電流源。因此,具閉合電流環(huán)路的功率級變成了 1 階系統(tǒng),而不是具 L/C 諧振的 2 階系統(tǒng)。結(jié)果,功率級極點引起的相位滯后從 180° 減少為約 90°。相位延遲減少使補償外部電壓環(huán)路變得容易多了。相位延遲減少還降低了電源對輸出電容器或電感變化的敏感度,如圖 18 所示。[!--empirenews.page--]
圖 16:具內(nèi)部電流環(huán)路和外部電壓反饋環(huán)路的電流模式轉(zhuǎn)換器方框圖
圖 17:峰值電流模式控制信號波形
圖 18:具閉合電流環(huán)路的新功率級轉(zhuǎn)移函數(shù) GCV(s)
電感器電流信號可以直接用一個附加的 RSENSE檢測,或者間接地通過電感器繞組 DCR 或 FET RDS(ON)檢測。電流模式控制還提供其他幾項重要的好處。如圖 17 所示,既然電感器電流以逐周期方式、通過放大器輸出電壓檢測和限制,那么系統(tǒng)在過載或電感器電流飽和時,就能夠更準(zhǔn)確和更快速地限制電流。在加電或輸入電壓瞬態(tài)時,電感器浪涌電流也受到了嚴(yán)格控制。當(dāng)多個轉(zhuǎn)換器 / 相位并聯(lián)時,通過將放大器 ITH 引腳連到一起,憑借電流模式控制,可以在多個電源之間非常容易地均分電流,從而實現(xiàn)了一個可靠的多項 (PolyPhase) 設(shè)計。典型電流模式控制器包括凌力爾特公司的 LTC3851A、LTC3833 和 LTC3855 等。
峰值與谷值電流模式控制方法
圖 16 和 17 所示的電流模式控制方法是峰值電感器電流模式控制。轉(zhuǎn)換器以固定開關(guān)頻率 fSW工作,從而非常容易實現(xiàn)時鐘同步和相位交錯,尤其是對于并聯(lián)轉(zhuǎn)換器。然而,如果在控制 FET 柵極關(guān)斷后,緊接著就發(fā)生負(fù)載升壓瞬態(tài),那么轉(zhuǎn)換器就必須等待一段時間,這段時間等于 FET 斷開時間 TOFF,直到下一個時鐘周期響應(yīng)該瞬態(tài)為止。這個 TOFF 延遲通常不是問題,但是對于一個真正的快速瞬態(tài)系統(tǒng),它卻很重要。此外,控制 FET 的最短接通時間 (TON_min) 不可能非常短,因為電流比較器需要噪聲消隱時間以避免錯誤觸發(fā)。對于高 VIN/VOUT 降壓比應(yīng)用而言,這限制了最高開關(guān)頻率 fSW。此外,峰值電流模式控制還需要一定的斜率補償,以在占空比超過 50% 時保持電流環(huán)路穩(wěn)定。對于凌力爾特公司的控制器而言,這不是個問題。凌力爾特的控制器通常有內(nèi)置自適應(yīng)斜率補償,以在整個占空比范圍內(nèi)確保電流環(huán)路穩(wěn)定性。LTC3851A 和 LTC3855 是典型的峰值電流模式控制器。
谷值電流模式控制器產(chǎn)生受控 FET 接通時間,并一直等待直到電感器谷值電流達(dá)到其谷值限制 (VITH)以才再次接通控制 FET。因此,電源可以在控制 FET 的 TOFF 時間響應(yīng)負(fù)載升高瞬態(tài)。此外,既然接通時間是固定的,那么控制 FET 的 TON_min可以比峰值電流模式控制時短,以允許更高的 fSW,實現(xiàn)高降壓比應(yīng)用。谷值電流模式控制不需要額外的斜率補償就能實現(xiàn)電流環(huán)路穩(wěn)定性。然而,使用谷值電流模式控制時,因為允許開關(guān)周期 TS 變化,所以在示波器上,開關(guān)節(jié)點波形可能出現(xiàn)更大的抖動。LTC3833 和 LTC3838 是典型的谷值電流模式控制器。
為具備閉合電流環(huán)路的新功率級建模
圖 19 顯示,通過僅將電感器作為受放大器 ITH 引腳電壓 控制的電流源,產(chǎn)生了一個簡化、具內(nèi)部電流環(huán)路的降壓型轉(zhuǎn)換器功率級的一階模型。類似方法也可用于其他具電感器電流模式控制的拓?fù)?。這個簡單的模型有多好? 圖 20 顯示了該一階模型和一個更復(fù)雜但準(zhǔn)確的模型之間轉(zhuǎn)移函數(shù) GCV(s) = vOUT/vC的比較結(jié)果。這是一個以 500kHz 開關(guān)頻率運行的電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器。在這個例子中,一階模型直到 10kHz 都是準(zhǔn)確的,約為開關(guān)頻率 fSW 的 1/50。之后,一階模型的相位曲線就不再準(zhǔn)確了。因此這個簡化的模型僅對于帶寬較小的設(shè)計才好用。
圖 19:電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器的簡單一階模型
圖 20:電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器的一階模型和準(zhǔn)確模型之間的 GCV(s) 比較
實際上,針對電流模式轉(zhuǎn)換器,在整個頻率范圍內(nèi)開發(fā)一個準(zhǔn)確的小信號模型相當(dāng)復(fù)雜。R. Ridley的電流模式模型 [3] 在電源行業(yè)是最流行的一種模型,用于峰值電流模式和谷值電流模式控制。最近,Jian Li 為電流模式控制開發(fā)了一種更加直觀的電路模型 [4],該模型也可用于其他電流模式控制方法。為了簡便易用,LTpowerCAD 設(shè)計工具實現(xiàn)了這些準(zhǔn)確模型,因此,即使一位經(jīng)驗不足的用戶,對 Ridley 或 Jian Li 的模型沒有太多了解,也可以非常容易地設(shè)計一個電流模式電源。