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作者：Christopher James，TI公司 每一位電源工程師都熟知并學(xué)習(xí)過(guò)電壓模式和電流模式控制這些傳統(tǒng)的控制拓?fù)洌珔s不太了解基于遲滯的拓?fù)浼捌鋬?yōu)勢(shì)。雖然純遲滯控制對(duì)于諸如醫(yī)療或工業(yè)自動(dòng)化等特定應(yīng)用可能并不實(shí)用，然而許多比較新的電源拓?fù)涠际腔谶t滯的，并且擁有旨在克服純遲滯控制的缺陷的額外特性。此類(lèi)拓?fù)浔贿\(yùn)用于從處理器內(nèi)核供電到汽車(chē)系統(tǒng)等廣泛領(lǐng)域。 幾乎所有的電源均是專(zhuān)為提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓或電流而設(shè)計(jì)的。提供這種輸出調(diào)節(jié)功能需要一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)和即將被調(diào)節(jié)的輸出電壓或電流的反饋。盡管有很多種用于對(duì)可用反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟煌刂仆負(fù)洌鼈兺ǔ６伎梢员粴w為兩類(lèi)：脈寬調(diào)制 (PWM) 或遲滯。在這兩種基本拓?fù)涞幕A(chǔ)上演變出了第三種拓?fù)洌錇榇硕叩娜诤希夯谶t滯的拓?fù)洹ａ槍?duì)不同的應(yīng)用，這些控制拓?fù)涓饔袃?yōu)缺點(diǎn)。 電壓模式控制 脈寬調(diào)制(PWM) 控制被歸為兩種基本類(lèi)型：電壓模式和電流模式。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文只討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控制。有關(guān)電壓模式與電流模式更為詳細(xì)的比較，圖1示出了降壓轉(zhuǎn)換器中電壓模式控制的基本方框圖。 
圖1：電壓模式控制包括了誤差放大器、時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 (VREF) 當(dāng)采用電壓模式控制來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，它通過(guò)一個(gè)連接至其反饋 (FB) 輸入的阻性分壓器來(lái)檢測(cè)輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨后將該FB信號(hào)與一個(gè)高準(zhǔn)確度內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。圍繞誤差放大器的環(huán)路補(bǔ)償電路負(fù)責(zé)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。 電壓模式控制擁有諸多的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)僅調(diào)節(jié)輸出電壓和其他良好受控的內(nèi)部信號(hào)（比如：時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓），該拓?fù)渚邆浞浅?qiáng)的抗噪聲能力。而且它還相當(dāng)?shù)睾?jiǎn)單明了。利用輸入電壓前饋保持了簡(jiǎn)單性，以在不斷變化的輸入電壓條件下維持恒定的環(huán)路增益。此外，輸入電壓前饋還可大幅改善針對(duì)線(xiàn)路電壓瞬變的響應(yīng)。最后，時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率的控制，包括使電路同步至一個(gè)外部時(shí)鐘源的可能性。 電壓模式控制的主要劣勢(shì)是必需的環(huán)路補(bǔ)償及對(duì)應(yīng)的環(huán)路帶寬限制。就其本質(zhì)而言，電壓模式控制在功率級(jí)中引入了一個(gè)雙極點(diǎn)，該雙極點(diǎn)位于輸出濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，因而需要在誤差放大器的周?chē)荚O(shè)兩個(gè)正確定位的零點(diǎn)。由于該雙極點(diǎn)的頻率通常很低，因而環(huán)路帶寬被限制在較低的水平。一般情況下，其被限制為不超過(guò)開(kāi)關(guān)頻率的1/10。這對(duì)電源的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響。因此，設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)增加輸出電容來(lái)獲得更好的瞬態(tài)結(jié)果，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本升高。 考慮到以上的利弊權(quán)衡，電壓模式控制仍然是頗具價(jià)值的，尤其在那些對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中。電壓模式控制的高噪聲耐受性及其可同步至一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的能力使其很適合于對(duì)噪聲最為敏感的應(yīng)用，例如：醫(yī)療和儀表設(shè)備等。 遲滯控制 純粹和基本形式的遲滯控制是極其簡(jiǎn)單的，所有控制拓?fù)渲凶詈?jiǎn)單的一種（圖2）。在其端子之間具有某些小遲滯的比較器通過(guò)FB輸入將輸出電壓直接與高準(zhǔn)確度的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 VREF 進(jìn)行比較。
圖2：簡(jiǎn)單的遲滯控制拓?fù)渲恍枰粋�(gè)比較器和內(nèi)部VREF 這種直接控制輸出電壓的優(yōu)勢(shì)在于控制環(huán)路的速度。當(dāng)輸出電壓由于瞬變的原因而發(fā)生變化時(shí)，控制環(huán)路開(kāi)始做出反應(yīng)所需的時(shí)間僅受限于比較器和柵極驅(qū)動(dòng)器中的傳播延遲。誤差信號(hào)不必穿過(guò)低帶寬誤差放大器。因此，遲滯拓?fù)涫撬俣茸羁斓目刂仆負(fù)洹?br /> 此外，其工作原理的簡(jiǎn)單性還使其能在無(wú)需任何環(huán)路補(bǔ)償?shù)那闆r下保持固有的穩(wěn)定性。而且這種簡(jiǎn)單性也使之成為一種低成本的拓?fù)洹Ｔ陔娫粗袥](méi)有需要設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試的振蕩器或誤差放大器。控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作僅需一個(gè)基本的比較器即可。 遲滯拓?fù)涞闹饕毕菔瞧溟_(kāi)關(guān)頻率變化。沒(méi)有負(fù)責(zé)設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率的時(shí)鐘或同步信號(hào)。取而代之的是，開(kāi)關(guān)頻率由遲滯量以及外部組件和工作條件來(lái)設(shè)定。 當(dāng)采用純遲滯轉(zhuǎn)換器時(shí)，預(yù)計(jì)在輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)將發(fā)生很大的頻率變化。而且，如果不采用一個(gè)高增益誤差放大器的話(huà)，所實(shí)現(xiàn)的輸出電壓的DC設(shè)定點(diǎn)有可能不如采用電壓模式控制時(shí)那么精準(zhǔn)。最后，遲滯控制需要利用輸出電容器中的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。因此，當(dāng)運(yùn)用純遲滯拓?fù)鋾r(shí)，一般不能使用ESR極小的陶瓷輸出電容器。 但是，在某些低功率、非常低成本的應(yīng)用中（比如：玩具），由于此類(lèi)終端設(shè)備的價(jià)位非常之低，而且其低功率在遲滯電源的寬開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾 (EMI) 水平很低，因此遲滯轉(zhuǎn)換器也許是可以接受的。另外，具有非常嚴(yán)酷之瞬變的系統(tǒng)需要采用遲滯或基于遲滯的拓?fù)鋪?lái)維持可接受的輸出電壓調(diào)節(jié)。假如這些系統(tǒng)的輸入電壓、輸出電壓和其他工作條件處于良好受控的狀態(tài)，則開(kāi)關(guān)頻率被保持在一個(gè)可接受的范圍之內(nèi)。這使得遲滯控制成為那些依靠一個(gè)固定輸入電壓運(yùn)作并產(chǎn)生一個(gè)固定輸出電壓的應(yīng)用的有效選擇。 基于遲滯的控制 許多控制拓?fù)鋸母旧险f(shuō)都是遲滯的，但其包含了其他旨在克服頻率變化和其他純遲滯拓?fù)渚窒扌缘碾娐贰＠纾鼈儼―-CAP、D-CAP2、COT、具有ERM的COT和DCS-Control拓?fù)洹１疚膬H分析和比較DCS-Control 4及相似器件。 根本上說(shuō)，DCS-Control（采用至節(jié)能模式的無(wú)縫轉(zhuǎn)換的直接控制）是一種遲滯拓?fù)洌淙诤狭穗妷耗Ｊ胶碗娏髂Ｊ降哪承┨匦裕▓D 3）。和在電壓模式控制中一樣，遲滯比較器將一個(gè)誤差放大器的輸出與一個(gè)鋸齒波形進(jìn)行比較。
圖3：在基于遲滯的DCS-Control拓?fù)渲校`差放大器和內(nèi)部VREF與電壓模式控制中的相同，而遲滯比較器則取自遲滯拓?fù)洹?dǎo)通定時(shí)器(on timer)是基于遲滯的拓?fù)渌赜械?br /> 該鋸齒波并非產(chǎn)生自某個(gè)時(shí)鐘，而是通過(guò)一個(gè)與輸出電壓直接相連的特殊電路產(chǎn)生在VOS輸入引腳上。實(shí)質(zhì)上，遲滯比較器仍然具有一個(gè)通過(guò)該VOS引腳至輸出電壓的直接連接，并接入了一個(gè)高增益誤差放大器以提供非常優(yōu)良的輸出電壓設(shè)定點(diǎn)準(zhǔn)確度。 除了將取自遲滯和電壓模式拓?fù)涞倪t滯比較器與誤差放大器加以組合之外，DCS-Control還運(yùn)用了一種導(dǎo)通時(shí)間電路以控制開(kāi)關(guān)頻率。最后，內(nèi)置了必需的環(huán)路補(bǔ)償功能電路以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。 DCS-Control的主要優(yōu)點(diǎn)是可保持遲滯轉(zhuǎn)換器非常快的瞬態(tài)響應(yīng)以及電壓模式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓準(zhǔn)確度，同時(shí)克服了這兩種拓?fù)淦渌年P(guān)鍵缺陷，即：緩慢的響應(yīng)時(shí)間、有限的控制環(huán)路帶寬和頻率變化。 由于VOS引腳提供了輸出電壓的直接控制，因此輸出電壓的任何變化都將直接通過(guò)控制環(huán)路傳播，而不會(huì)受到誤差放大器帶寬的限制。這將大大加快瞬態(tài)響應(yīng)速度。 就目前的DCS-Control實(shí)施方案而言，其主要缺點(diǎn)是無(wú)法同步至一個(gè)時(shí)鐘。作為一種基于遲滯的拓?fù)洌洳⑽刺峁⿻r(shí)鐘輸入信號(hào)，而是提供了一個(gè)在各種工作條件下變化極小的受控開(kāi)關(guān)頻率。在某些場(chǎng)合中，該變化小于電壓模式轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘頻率容差。 諸如DCS-Control等基于遲滯的拓?fù)淦渥罴训氖褂脠?chǎng)合是那些會(huì)遭遇大的瞬變并需要極高輸出電壓準(zhǔn)確度的應(yīng)用。此類(lèi)應(yīng)用包括為嵌入式或計(jì)算系統(tǒng)中的處理器內(nèi)核供電，以及工業(yè)自動(dòng)化和汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)。 結(jié)論 對(duì)于不同的應(yīng)用，“電壓模式”、“遲滯”和“基于遲滯”等三種主要的電源控制拓?fù)涓饔袃?yōu)劣。雖然大多數(shù)電源工程師都習(xí)慣并樂(lè)于使用電壓模式控制，但遲滯和基于遲滯的拓?fù)鋮s能提供同類(lèi)最佳的瞬態(tài)響應(yīng)，而且應(yīng)當(dāng)就諸如處理器內(nèi)核供電等需要這種快速響應(yīng)速度的應(yīng)用對(duì)其做深入探究。由于每種控制拓?fù)涠加袛?shù)量極為龐大的設(shè)備在使用，因此意味著對(duì)于幾乎所有的應(yīng)用而言都很可能有一種最優(yōu)的電源解決方案。 參考文獻(xiàn) 1. Robert Mammano，開(kāi)關(guān)電源拓?fù)洌弘妷耗Ｊ脚c電流模式的比較，設(shè)計(jì)筆記 (SLUA119)，Unitrode，1994 年 2. 采用 2 x 2 SON 封裝的 3 MHz 2A 降壓型轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)表 (SLVS833B)，德州儀器，2013 年 11 月 3. LM3475 遲滯 PFET 降壓型控制器，數(shù)據(jù)表 (SNVS239B)，2013 年 3 月。 4. Chris Glaser，高效率、低紋波 DCS-Control提供無(wú)縫的 PWM / 節(jié)能模式轉(zhuǎn)換，模擬應(yīng)用雜志 (SLYT513)，德州儀器，2013 年第三季度 作者簡(jiǎn)介 Christopher James Glaser is an applications engineer for TI’s Low Power DC/DC group. In this role, he supports customers, designs evaluation modules (EVMs), writes application notes, trains field engineers and customers, and generates technical collateral to make TI parts easier to use. He received his BSEE from Texas A&M, College Station, Texas. He can be reached at ti_cglaser@list.ti.com. |
