開關DC-DC電壓調節(jié)器(“開關調節(jié)器”)依賴于閉合反饋控制回路，以確保在變化的負載條件下保持所需的電壓和電流輸出。該控制回路的性能影響電源的關鍵性能參數(shù)，包括線路和負載調節(jié)，穩(wěn)定性和動態(tài)響應。
工程師可以通過測量控制回路的頻率響應來量化控制回路的性能。電壓調節(jié)器可在很寬的頻率范圍內(nèi)工作。然后可以通過將補償器網(wǎng)絡結合到電路中來“調諧”頻率響應。如果工作做得好，最終結果是一個開關穩(wěn)壓器，它在很寬的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定但沒有過度補償，因此其動態(tài)響應很差。
本文介紹了開關穩(wěn)壓器控制環(huán)路的基本原理，然后介紹了精心設計的模塊化開關控制器和穩(wěn)壓器的一些示例，這些控制器和穩(wěn)壓器可用作高性能電源的基礎。
電壓調節(jié)器控制回路
反饋控制回路是簡單的概念?？刂蒲h(huán)的目的是約束系統(tǒng)變量(例如，輸出)，使其保持在期望值。系統(tǒng)變量不斷受到監(jiān)控，并與參考值進行比較，參考值等于所需的輸出。然后使用誤差信號(期望值和實際輸出之間的差值)來調整系統(tǒng)變量以使其恢復正常。
在開關調節(jié)器中，系統(tǒng)變量是電壓(和/或電流)與電路設計者設定的參考值進行比較。然后將誤差放大器的輸出(誤差信號)饋入比較器，該比較器調節(jié)開關晶體管的占空比。占空比與輸出電壓成正比。圖1顯示了升壓(“升壓”)開關穩(wěn)壓器的反饋環(huán)路的簡化原理圖。
圖1：控制的簡化原理圖用于升壓調節(jié)器的回路。 (由Fairchild Semiconductor提供)
在完美的控制環(huán)路中，無論負載或輸入電壓如何發(fā)生，輸出電壓都將保持鎖定在參考電壓。在實際電路中，負載和輸入電壓的變化會在一定程度上擾亂輸出。工程師希望設計他或她的電路，以便控制回路盡可能快地響應變化并精確調節(jié)輸出電壓，同時保持穩(wěn)定。
控制回路可以通過其頻率響應來表征。頻率響應表示開關穩(wěn)壓器如何在一定頻率范圍內(nèi)的規(guī)定工作條件下作出反應(由電壓調節(jié)器的“傳遞函數(shù)”確定)。頻率響應是電壓調節(jié)器的動態(tài)模型，顯示輸入電壓，負載和占空比的變化如何根據(jù)頻率影響輸出電壓。頻率響應會影響電壓調節(jié)器的反應時間，精度和穩(wěn)定性。
增益和相位差
電路的頻率響應可以通過數(shù)學建模或測試來確定。實際設計(或兩者的組合)。這兩種方法都不是微不足道的，但電壓調節(jié)器制造商提供有用的應用說明和在線軟件來協(xié)助這兩種技術。 (例如，德州儀器(TI)應用報告 1 是實用測量技術的有用指南。)
奈奎斯特穩(wěn)定性定理可用于表征頻率響應控制回路，但它是一個復雜的分析，需要高水平的專業(yè)知識來提取設計洞察力。幸運的是，開關電壓調節(jié)器不可避免地在輸出級包括一個低通濾波器，這簡化了頻率響應，因此Bode圖可以用來描述傳遞函數(shù)來代替奈奎斯特數(shù)據(jù)。與奈奎斯特分析產(chǎn)生的極坐標圖相比，波德圖更容易分析。
波特圖是傳遞函數(shù)的幅度和相位隨頻率變化的曲線圖，其中幅度分別以分貝和相位繪制，而頻率以對數(shù)刻度顯示。圖2顯示了圖1所示升壓調節(jié)器的增益和相位波特圖。
圖2：升壓穩(wěn)壓器的增益和相位波特圖。 (Fairchild Semiconductor提供)
這些圖揭示了控制回路性能的一些關鍵信息。第一個興趣點是交叉頻率(fc)。這是控制環(huán)路增益為單位(0 dB)的頻率，也稱為環(huán)路帶寬(本例中約為7 kHz)。第二個興趣點是相位滯后達到180 o 的位置(本例中約為25 kHz)。相位裕度(PM)等于180 o 減去fc處的相位滯后(對于該示例，約為60 o )。增益裕度(GM)是相位滯后180 o 的增益(在這種情況下為20 dB)。
假設增益曲線只有一次(0 dB) (對于在輸出級具有低通濾波器的電壓調節(jié)器實際上總是如此)，如果fc處的相位滯后小于180度，則系統(tǒng)將是穩(wěn)定的。在其他頻率，相位滯后可超過180 o 并且控制回路仍將保持穩(wěn)定。對于大多數(shù)控制回路，經(jīng)驗豐富的工程師的目標是實現(xiàn)大于45 o (且小于315°)的相位裕度。通常，相位裕度為45 o 提供良好的瞬態(tài)響應和良好的阻尼。對于升壓或降壓開關穩(wěn)壓器，增益裕度應高于10 dB。
即使控制環(huán)路相位滯后超過180°，許多系統(tǒng)也可以穩(wěn)定增益大于0 dB o 頻率小于fc。然而，當環(huán)路增益減小時，這樣的系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。這些系統(tǒng)只是“有條件”穩(wěn)定，并沒有表現(xiàn)出良好的設計實踐。
(注意，在低負載時，大多數(shù)開關穩(wěn)壓器將進入不連續(xù)的電流導通模式。在這種模式下，電路的頻率響應會發(fā)生變化。另請注意，沒有輸入電壓前饋的電壓模式轉換器會隨著輸入電壓的變化而出現(xiàn)頻率響應的變化。[請參閱TechZone文章“開關穩(wěn)壓器連續(xù)和不連續(xù)模式之間的差異及其重要性”和“電壓和電流” - 直流 - 直流開關調節(jié)器中PWM信號生成的模式控制“。]
初始電路布局證明不合適并改變電路的頻率響應的可能性甚至超過均勻工程師需要引入補償網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡的任務是塑造控制環(huán)路增益，使fc移動到合適的位置，相位和增益裕度導致良好的動態(tài)響應，線路和負載調節(jié)以及穩(wěn)定性。有幾種類型的補償網(wǎng)絡，這些將在另一篇TechZone文章中討論。
精心設計的開關電壓調節(jié)器在電學和聲學上都很安靜。對于欠補償系統(tǒng)而言，情況并非如此，這些系統(tǒng)會產(chǎn)生來自磁性元件或陶瓷電容器的可聽噪聲，開關波形中的抖動，輸出電壓的振蕩以及許多其他不期望的特性。
另一方面，過度補償?shù)南到y(tǒng)可以非常穩(wěn)定和安靜，但代價是動態(tài)響應緩慢。這種系統(tǒng)的fc將以低頻率發(fā)生，通常低于10kHz。慢動態(tài)響應設計需要過大的輸出電容，以滿足瞬態(tài)調節(jié)要求，從而增加了電源的總體成本和尺寸。當然，訣竅是取得平衡。最佳補償設計穩(wěn)定安靜，但響應速度快，輸出電容最小。
使用電源模塊
雖然從頭開始設計開關穩(wěn)壓器有一些優(yōu)勢(參見TechZone文章“DC/DC穩(wěn)壓器：如何在離散和模塊化設計之間進行選擇”)，許多工程師將其電源設計基于半導體供應商的電源模塊，如Fairchild Semiconductor，Linear Technology，TI和Maxim Integrated。
電源模塊將電壓調節(jié)器設計的許多電路元件集成到一個芯片中。例如，控制器集成了誤差測量和脈沖寬度調制器(PWM)系統(tǒng)(設置占空比)，同時調節(jié)器將開關驅動器和開關元件本身添加到控制器電路。通常，工程師只需選擇電感器和濾波器元件來補充穩(wěn)壓器芯片，電源即可運行。
電源模塊將主要(但不是完全)確定基于模塊的設計的初始頻率響應，因此工程師查閱給定芯片的數(shù)據(jù)表以檢查其是否可能符合其建議設計的規(guī)范非常重要。
圖3(a)和(b)顯示了用于降壓穩(wěn)壓器的凌力爾特LTC3829控制器的控制環(huán)增益和相位的波特圖。 (這些圖是使用公司的LTpowerCAD設計工具生成的。)控制器可以驅動所有N通道同步功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)級。該器件采用4.5至38 V輸入工作，輸出電壓為0.6至5 V.該器件的效率高達94%，可在250至770 kHz范圍內(nèi)以可選擇的固定頻率工作。
圖3(a)：Linear Technology LTC3829控制器的控制環(huán)路增益。
圖3(b)：Linear Technology LTC3829控制器的控制回路相位。
從圖中可以看出，LTC3829的fc為45 kHz，相位裕度為64 o 。增益裕度接近20 dB。這些數(shù)據(jù)使控制器成為穩(wěn)定而靈敏的電壓調節(jié)器的良好基礎。
TI提供各種開關電源控制器和穩(wěn)壓器電源模塊。圖4顯示了基于TPS23754控制器的公司參考設計的頻率響應。 TPS23754針對以太網(wǎng)供電(PoE)供電設備(PD)應用中的隔離調節(jié)器角色進行了優(yōu)化(請參閱TechZone文章“新一代PoE控制器輕松處理更高功率”)。同樣，這是一個設計良好的開關穩(wěn)壓器的例子，其相位裕度為92 o 和25 dB的增益裕度。
圖4：PoE應用的基于TI TPS23754的電源參考設計的控制環(huán)路增益和相位。
就其本身而言，Maxim Integrated在其數(shù)據(jù)表中為其許多開關穩(wěn)壓控制器提供了有用的頻率響應波特圖。該公司還提供的器件不僅集成了電感器，還集成了補償網(wǎng)絡，以確保開關穩(wěn)壓器穩(wěn)定響應。
例如，MAX17505是一款高壓同步降壓穩(wěn)壓器，具有雙集成MOSFET，工作電壓范圍為4.5至60 V。它在0.9 V至90%VIN輸出電壓范圍內(nèi)提供高達1.7 A的電流。圖5顯示了MAX17505的頻率響應，表明fc為60.7 kHz，相位裕度為59 o 。
圖5：Maxim MAX17505開關穩(wěn)壓器的控制環(huán)路增益和相位。
需要基準測試
原則上開關穩(wěn)壓器的控制環(huán)路很容易理解，在實踐中表現(xiàn)更難掌握。即使是最專業(yè)的工程師也可能需要數(shù)天才能補償在紙上看起來不錯的電源設計，但證明其不穩(wěn)定或動態(tài)響應不佳。
選擇一個集成了大部分電源組件并由制造商進行內(nèi)部補償?shù)目刂破骰蚍€(wěn)壓器模塊可以緩解這一挑戰(zhàn)。但是，添加外部濾波器組件可能會改變模塊的頻率響應，因此可能需要進行額外的設計工作。主要組件制造商提供設計軟件來模擬所提議設計(包括外部濾波器組件)的頻率響應。這縮短了設計過程，但通常仍需要一些原型臺架測試來改進精心設計的產(chǎn)品的補償網(wǎng)絡。
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