如何采用斜率補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

電流模式控制的DC-DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器(“開關(guān)穩(wěn)壓器”)很受歡迎，因?yàn)樗鼈兲峁┝烁咝У拈_關(guān)電源，同時(shí)克服了傳統(tǒng)電壓模式控制器件的缺點(diǎn)。當(dāng)脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(用于設(shè)置輸出電壓的PWM)的占空比上升到50%以上時(shí)，電流模式設(shè)計(jì)會(huì)受到不穩(wěn)定性的影響。為了克服這種不穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)工程師使用一種稱為斜率補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)來恢復(fù)整個(gè)PWM占空比范圍內(nèi)的可靠操作。

本文介紹了重要但非常常見的斜率補(bǔ)償技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)以及如何實(shí)現(xiàn)它會(huì)影響電流模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器的性能。然后，本文繼續(xù)介紹采用該技術(shù)的主要功率模塊制造商的商用電壓控制器。

電流模式控制的優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)的電壓模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器中，脈沖寬度調(diào)制通過將控制電壓施加到一個(gè)比較器輸入和由時(shí)鐘產(chǎn)生的固定頻率的鋸齒波電壓(“PWM斜坡”)到另一個(gè)來產(chǎn)生(PWM)信號(hào)。調(diào)節(jié)器的輸出電壓與合成PWM方波的占空比成正比。另一種設(shè)計(jì)，即電流模式控制調(diào)節(jié)器，因其具有許多優(yōu)點(diǎn)而變得流行。例如，電流模式控制調(diào)節(jié)器比電壓模式更快地響應(yīng)線路或負(fù)載電壓變化，它消除了電壓模式輸入電壓缺陷時(shí)的環(huán)路增益變化，補(bǔ)償更容易實(shí)現(xiàn)，電路與電壓模式相比，它還具有更高的增益帶寬。 (參見TechZone文章“DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器中PWM信號(hào)產(chǎn)生的電壓和電流模式控制。”)

電流模式控制穩(wěn)壓器與電壓模式控制器的不同之處在于增加了第二個(gè)回路反饋電感電流，然后有助于推導(dǎo)PWM斜坡。該反饋信號(hào)包括兩部分：AC紋波電流，以及電感器電流的DC或平均值。放大形式的信號(hào)被路由到PWM比較器的一個(gè)輸入，而誤差電壓(Ve，參考電壓和輸出電壓之間的差)形成另一個(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1)。

圖1：電流模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器。這里，PWM斜坡是從輸出電感電流得到的信號(hào)產(chǎn)生的。 (德州儀器公司提供)

雖然電流模式控制具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它并非沒有復(fù)雜性。其中最重要的是在占空比高于50%時(shí)“內(nèi)部”控制回路(承載電感器電流信號(hào))的不穩(wěn)定性。先鋒設(shè)計(jì)工程師通過在內(nèi)環(huán)中“注入”少量斜率補(bǔ)償，迅速找到解決這個(gè)問題的方法。這種技術(shù)確保了PWM占空比的所有值的穩(wěn)定運(yùn)行。許多電源設(shè)計(jì)人員在了解該技術(shù)的同時(shí)，對(duì)于斜率補(bǔ)償如何工作以及其實(shí)現(xiàn)如何影響電路性能感到困惑。讓我們仔細(xì)看看。

穩(wěn)定電路

不穩(wěn)定的，例如，在連續(xù)模式下工作的電流模式控制降壓(“降壓”)穩(wěn)壓器(即電感電流確實(shí)如此)在開關(guān)周期期間不會(huì)降至零)因?yàn)榭刂破魍ㄟ^調(diào)節(jié)峰值電感電流來設(shè)置輸出電壓，同時(shí)電感驅(qū)動(dòng)輸出，使負(fù)載電流等于平均電感電流。圖2顯示了平均電流(I1和I2)如何隨占空比變化而峰值(穩(wěn)壓)電流保持不變。

圖2：在電流模式控制穩(wěn)壓器中，電感平均電流與占空比成正比。 (德州儀器公司提供)

峰值和平均電感電流形式之間的差異是誤差(ΔI)，當(dāng)VIN很大時(shí)，該誤差最大。在較低的占空比下，誤差不是問題，因?yàn)樗３植蛔?，但在占空比高?0%時(shí)，每個(gè)連續(xù)的電感充電/放電周期誤差增加，從而引起不穩(wěn)定(圖3)。

點(diǎn)擊圖3：在較大的占空比(D2)下，電感峰值和平均電流(ΔI)之間的誤差會(huì)在連續(xù)的充電/放電周期中成倍增加，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定。 (由Texas Instruments提供)

通過將負(fù)鋸齒斜坡電壓與比較器控制輸入端的放大Ve相加(如圖1所示)，工程師可以在電路中引入斜率補(bǔ)償。為了獲得完美的補(bǔ)償，補(bǔ)償斜坡的斜率必須恰好等于另一個(gè)比較器輸入電壓波形的下降斜率的一半，這是電流檢測(cè)電阻上電感電流下降斜率的電壓模擬。

正確實(shí)施后，斜率補(bǔ)償解決了占空比范圍內(nèi)電流誤差變化和占空比不穩(wěn)定超過50%的問題。圖4顯示，通過斜率補(bǔ)償，無論VIN和占空比如何變化，平均電流都保持不變。圖5顯示了電路如何保持穩(wěn)定，因?yàn)樾甭恃a(bǔ)償降低了任何占空比值的誤差。

圖4：通過斜率補(bǔ)償，電路的平均電流保持不變占空比。 (由德州儀器公司提供)

圖5：斜率補(bǔ)償可減少任何占空比值的連續(xù)周期內(nèi)的電流誤差。 (德州儀器公司提供)

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

對(duì)于使用分立元件構(gòu)建電流模式控制調(diào)節(jié)器的工程師來說，產(chǎn)生斜率補(bǔ)償所需的負(fù)斜坡可能會(huì)非常棘手。一種解決方案是采用PWM IC的正斜坡，通過分壓器將其施加到相對(duì)的比較器輸入端(然后如上所述與電感器電流的電壓模擬相加)。

越來越受歡迎的替代方案是基于圍繞開關(guān)控制器模塊的電路，將PWM控制電子器件集成到單個(gè)器件中。這些模塊中的許多現(xiàn)在都包括由制造商整合的斜率補(bǔ)償。

包含電流模式控制和斜率補(bǔ)償?shù)碾娫茨K示例包括德州儀器(TI)的TPS43060。該器件是1 MHz開關(guān)控制器，工作在4.5-38 V輸入，占空比高達(dá)95%。該芯片具有內(nèi)部斜率補(bǔ)償功能，可避免占空比高于50%時(shí)的次諧波振蕩。

Maxim的MAX15004開關(guān)穩(wěn)壓控制器 - 專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的電流模式控制器件，輸入電壓范圍為4.5-40 V - 通過使用外部電容器提供可編程斜率補(bǔ)償，可以進(jìn)一步發(fā)展。該公司聲稱這簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

就其本身而言，Intersil還提供帶可編程斜率補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)穩(wěn)壓器ISL6726(圖6)。制造商表示，該器件是電流模式PWM控制器，具有許多旨在簡(jiǎn)化其使用的功能。與Maxim器件一樣，通過使用外部電容再次設(shè)置斜率補(bǔ)償。 ISL6726的數(shù)據(jù)表包括如何計(jì)算給定斜率梯度的電容值的方便指南。

圖6：Intersil的ISL6726支持可編程斜率補(bǔ)償。