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作者: Ning Dai，Raphael Horton 在電信和計算機行業的推動下，以太網系統不斷增加插槽密度，容量達到了100Gbps，系統中的專用集成電路 (ASIC)和微處理器則以更高的頻率和更低的電壓運行。為了與以太網技術保持同步，開關電源必須能在靜態模式下提供高精度設定點、低紋波和噪音,同時能在動態模式下進行快速瞬態響應，這反過來又要求在載荷點 (POL) 中實施的控制方案不僅能夠提供上述功能，還要能在具有極低的等效串聯電阻(ESR)輸出電容和較高輸入輸出電壓比的環境下正常工作。麥瑞的Hyper Speed Control（超高速控制）架構可為微處理器和ASIC提供最佳的POL解決方案。本文闡述了傳統脈寬調制(PWM)控制與Hyper Speed Control的工作原理并對比了這兩種控制方案的瞬態響應性能。最后，本文還提供了一項實驗結果以解釋他們的不同之處。 工作原理 麥瑞Hyper Speed Control的獨特架構不僅可實現超快速瞬態響應，同時還能降低輸出電容，使高輸入∕輸出電壓比(Vin/Vout) 運行成為可能。為了闡述該控制機制，特借用圖1所示的結構圖來說明。如圖1所示，輸出電壓經分壓器R1和R2分壓后由反饋引腳FB讀取并通過低增益跨導放大器在誤差比較器上與內部基準電壓VREF 進行比較。如果反饋電壓下降且放大器輸出小于內部基準電壓，誤差比較器將觸動控制邏輯，生成一個導通時間周期。導通時間周期長度由“固定Ton估計”電路預先確定： 
其中，Vout為功率級輸出電壓，Vin為功率級輸入電壓，fsw為開關頻率。 在導通時間周期結束后，設備會進入關斷周期。此時，內部高壓側驅動器將關斷高壓側金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，低壓側驅動器將導通低壓側金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。關斷時間周期取決于反饋電壓VFB。如果反饋電壓決定的關斷時間周期小于控制器內部設計決定的最小關斷時間TOFF(min)，則控制環路將使用TOFF(min)來維持升壓電容中的能量以驅動高壓側金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。在反饋電壓的波谷區，若反饋電壓降至基準電壓以下，關斷時間終止，下一個導通時間周期通過控制電路開啟。圖2顯示了轉換器的典型波形。
圖1:Hyper Speed Control結構圖
圖2:Hyper Speed Control控制環路定時如果反饋電壓低于基準電壓，則觸發導通時間開始。 眾所周知的過渡性占空比調制轉換器具有恒定開關頻率，該頻率由振蕩器生成。控制開關狀態（導通或關斷）的開關控制信號通過對比控制電壓Vc與重復（鋸齒）波形產生，如圖 3(a) 所示。控制電壓通常通過放大誤差，即與輸出電壓成正比的反饋電壓與其理想電壓水平（基準電壓）之間的差異獲得。由PWM控制器中的內部振蕩器產生的重復鋸齒波頻率決定了開關頻率。當放大的誤差信號大于鋸齒波形時，開關控制信號變高，導致開關開啟。否則，開關是斷開的。轉換器的占空比可表示如下
其中，D為PWM轉換器的占空比，即導通持續時間與開關時間周期之比，是可變量；Ts為恒定的開關周期；Ton為開關的導通時間。圖3顯示了占空比調制控制機構與控制環路定時的控制原理。
圖3：占空比調制控制的結構圖與控制定時 通過研究這兩種不同的控制方案，我們可以看到他們都可在穩態狀態下以恒定頻率運行，但他們使用的導通和關斷開關的標準不同。Hyper Speed Control依靠內部基準電壓和內部導通時間估計器控制開關，而占空比PWM控制則依靠內部振蕩器和基準控制開關的占空比。因此，Hyper Speed Control憑借其恒定的導通時間控制，可用于輸入電壓與輸出電壓之比較高的應用；而PWM控制具有最低的占空比限制，意味著不適合輸入電壓與輸出電壓之比過高的應用。 瞬態響應 在負載瞬變時，這兩種控制方案的表現也不同。圖4說明了當輸出電流從0增至滿載時Hyper Speed Control和占空比調制控制的典型波形。對于Hyper Speed Control來說，當負載瞬變時，輸出電壓下降，反饋電壓也隨之下降。但控制環路偵測到反饋電壓小于內部基準電壓時，控制器將立即進入最小關斷時間（在一個開關周期中）以最大程度地減少輸出電壓下降。由于導通時間恒定，可最大限度地減少關斷時間，這意味著轉換器能夠以最大導通時間的高開關頻率從輸入端向輸出端轉移能量。對于占空比調制控制而言，在負載瞬變時，輸出和反饋電壓下降。然而，由于占空比是由前一個開關周期的電壓預先確定，占空比到下一個開關周期才會增加，
圖4：Hyper Speed Control和PWM控制的瞬態響應典型波形
圖5：具有Hyper Speed Control和占空比調制控制的轉換器的瞬態響應測量結果 這會導致電壓大幅下降。圖5顯示了具有 Hyper Speed Control和占空比調制控制的直流-直流轉換器的瞬態響應測量結果。組建兩個直流-直流轉換器；一個使用麥瑞超高速控制器MIC2164，另一個使用占空比調制PWM控制器。兩個都具有2.2μH的輸出感應器并在同樣的條件下進行測試：12V的輸入電壓，1.5V的 輸出電壓、100μF的輸出電容、瞬時負載以 5A/μs的轉換速率從0A遞增至5A。具有超高速控制器的轉換器的壓降為208mV，而具有傳統占空比調制控制器的轉換器的壓降為244mV，比前者高17% 。為達到與具有超高速控制器的轉換器同樣的壓降，具有占空比調制控制器的轉換器須另外增加47μF的輸出電容。 總結 本文闡述了Hyper Speed Control和占空比調制控制的工作原理和機制，并對他們在穩態和動態條件下的性能進行了比較。Hyper Speed Control具有可實現快速瞬態響應的優勢，與占空比調制控制相比所需輸出電容較少。借助外部紋波注入網絡，對于任何類型的輸出電容它能夠保證系統的穩定；而占空比調制控制對輸出電容具有最低的ESR要求，以保證其控制環路的穩定性。因此，它非常適合于輸入電壓與輸出電壓之比較大的應用。 |
