如何采用斜率補償技術(shù)實現(xiàn)電流模式控制開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計

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，因為它們提供了高效的開關(guān)電源，同時克服了傳統(tǒng)電壓模式控制器件的缺點。當脈沖寬度調(diào)制信號(用于設(shè)置輸出電壓的PWM)的占空比上升到50%以上時，電流模式設(shè)計會受到不穩(wěn)定性的影響。為了克服這種不穩(wěn)定性，設(shè)計工程師使用一種稱為斜率補償?shù)募夹g(shù)來恢復(fù)整個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償技術(shù)，如何實現(xiàn)以及如何實現(xiàn)它會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

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比較器輸入和由時鐘產(chǎn)生的固定頻率的鋸齒波電壓(“PWM斜坡”)到另一個來產(chǎn)生(PWM)信號。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，即電流模式控制調(diào)節(jié)器，因其具有許多優(yōu)點而變得流行。例如，電流模式控制調(diào)節(jié)器比電壓模式更快地響應(yīng)線路或負載電壓變化，它消除了電壓模式輸入電壓缺陷時的環(huán)路增益變化，補償更容易實現(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回路反饋電感電流，然后有助于推導(dǎo)PWM斜坡。該反饋信號包括兩部分：AC紋波電流，以及電感器電流的DC或平均值。放大形式的信號被路由到PWM比較器的一個輸入，而誤差電壓(Ve，參考電壓和輸出電壓之間的差)形成另一個輸入。與電壓模式控制方法一樣，系統(tǒng)時鐘決定PWM信號頻率(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，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“內(nèi)部”控制回路(承載電感器電流信號)的不穩(wěn)定性。先鋒設(shè)計工程師通過在內(nèi)環(huán)中“注入”少量斜率補償，迅速找到解決這個問題的方法。這種技術(shù)確保了PWM占空比的所有值的穩(wěn)定運行。許多電源設(shè)計人員在了解該技術(shù)的同時，對于斜率補償如何工作以及其實現(xiàn)如何影響電路性能感到困惑。讓我們仔細看看。

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(即電感電流確實如此)在開關(guān)周期期間不會降至零)因為控制器通過調(diào)節(jié)峰值電感電流來設(shè)置輸出電壓，同時電感驅(qū)動輸出，使負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VIN很大時，該誤差最大。在較低的占空比下，誤差不是問題，因為它保持不變，但在占空比高于50%時，每個連續(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償。為了獲得完美的補償，補償斜坡的斜率必須恰好等于另一個比較器輸入電壓波形的下降斜率的一半，這是電流檢測電阻上電感電流下降斜率的電壓模擬。

正確實施后，斜率補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，因為斜率補償降低了任何占空比值的誤差。

圖4：通過斜率補償，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)

簡化設(shè)計

對于使用分立元件構(gòu)建電流模式控制調(diào)節(jié)器的工程師來說，產(chǎn)生斜率補償所需的負斜坡可能會非常棘手。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償。

包含電流模式控制和斜率補償?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95%。該芯片具有內(nèi)部斜率補償功能，可避免占空比高于50%時的次諧波振蕩。

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償，可以進一步發(fā)展。該公司聲稱這簡化了設(shè)計。

就其本身而言，Intersil還提供帶可編程斜率補償?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)置斜率補償。 ISL6726的數(shù)據(jù)表包括如何計算給定斜率梯度的電容值的方便指南。

圖6：Intersil的ISL6726支持可編程斜率補償。