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作者: Ning Dai，Raphael Horton 在電信和計算機行業(yè)的推動下，以太網(wǎng)系統(tǒng)不斷增加插槽密度，容量達到了100Gbps，系統(tǒng)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(wǎng)技術(shù)保持同步，開關(guān)電源必須能在靜態(tài)模式下提供高精度設(shè)定點、低紋波和噪音,同時能在動態(tài)模式下進行快速瞬態(tài)響應(yīng)，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(lián)電阻(ESR)輸出電容和較高輸入輸出電壓比的環(huán)境下正常工作。麥瑞的Hyper Speed Control（超高速控制）架構(gòu)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(tǒng)脈寬調(diào)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(tài)響應(yīng)性能。最后，本文還提供了一項實驗結(jié)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(gòu)不僅可實現(xiàn)超快速瞬態(tài)響應(yīng)，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(jié)構(gòu)圖來說明。如圖1所示，輸出電壓經(jīng)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(dǎo)放大器在誤差比較器上與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF 進行比較。如果反饋電壓下降且放大器輸出小于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，誤差比較器將觸動控制邏輯，生成一個導(dǎo)通時間周期。導(dǎo)通時間周期長度由“固定Ton估計”電路預(yù)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(guān)頻率。 在導(dǎo)通時間周期結(jié)束后，設(shè)備會進入關(guān)斷周期。此時，內(nèi)部高壓側(cè)驅(qū)動器將關(guān)斷高壓側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，低壓側(cè)驅(qū)動器將導(dǎo)通低壓側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。關(guān)斷時間周期取決于反饋電壓VFB。如果反饋電壓決定的關(guān)斷時間周期小于控制器內(nèi)部設(shè)計決定的最小關(guān)斷時間TOFF(min)，則控制環(huán)路將使用TOFF(min)來維持升壓電容中的能量以驅(qū)動高壓側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在反饋電壓的波谷區(qū)，若反饋電壓降至基準(zhǔn)電壓以下，關(guān)斷時間終止，下一個導(dǎo)通時間周期通過控制電路開啟。圖2顯示了轉(zhuǎn)換器的典型波形。
圖1:Hyper Speed Control結(jié)構(gòu)圖
圖2:Hyper Speed Control控制環(huán)路定時如果反饋電壓低于基準(zhǔn)電壓，則觸發(fā)導(dǎo)通時間開始。 眾所周知的過渡性占空比調(diào)制轉(zhuǎn)換器具有恒定開關(guān)頻率，該頻率由振蕩器生成。控制開關(guān)狀態(tài)（導(dǎo)通或關(guān)斷）的開關(guān)控制信號通過對比控制電壓Vc與重復(fù)（鋸齒）波形產(chǎn)生，如圖 3(a) 所示�？刂齐妷和ǔＭㄟ^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(zhǔn)電壓）之間的差異獲得。由PWM控制器中的內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的重復(fù)鋸齒波頻率決定了開關(guān)頻率。當(dāng)放大的誤差信號大于鋸齒波形時，開關(guān)控制信號變高，導(dǎo)致開關(guān)開啟。否則，開關(guān)是斷開的。轉(zhuǎn)換器的占空比可表示如下
其中，D為PWM轉(zhuǎn)換器的占空比，即導(dǎo)通持續(xù)時間與開關(guān)時間周期之比，是可變量；Ts為恒定的開關(guān)周期；Ton為開關(guān)的導(dǎo)通時間。圖3顯示了占空比調(diào)制控制機構(gòu)與控制環(huán)路定時的控制原理。
圖3：占空比調(diào)制控制的結(jié)構(gòu)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(wěn)態(tài)狀態(tài)下以恒定頻率運行，但他們使用的導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不同。Hyper Speed Control依靠內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和內(nèi)部導(dǎo)通時間估計器控制開關(guān)，而占空比PWM控制則依靠內(nèi)部振蕩器和基準(zhǔn)控制開關(guān)的占空比。因此，Hyper Speed Control憑借其恒定的導(dǎo)通時間控制，可用于輸入電壓與輸出電壓之比較高的應(yīng)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(yīng)用。 瞬態(tài)響應(yīng) 在負(fù)載瞬變時，這兩種控制方案的表現(xiàn)也不同。圖4說明了當(dāng)輸出電流從0增至滿載時Hyper Speed Control和占空比調(diào)制控制的典型波形。對于Hyper Speed Control來說，當(dāng)負(fù)載瞬變時，輸出電壓下降，反饋電壓也隨之下降。但控制環(huán)路偵測到反饋電壓小于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時，控制器將立即進入最小關(guān)斷時間（在一個開關(guān)周期中）以最大程度地減少輸出電壓下降。由于導(dǎo)通時間恒定，可最大限度地減少關(guān)斷時間，這意味著轉(zhuǎn)換器能夠以最大導(dǎo)通時間的高開關(guān)頻率從輸入端向輸出端轉(zhuǎn)移能量。對于占空比調(diào)制控制而言，在負(fù)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(guān)周期的電壓預(yù)先確定，占空比到下一個開關(guān)周期才會增加，
圖4：Hyper Speed Control和PWM控制的瞬態(tài)響應(yīng)典型波形
圖5：具有Hyper Speed Control和占空比調(diào)制控制的轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)測量結(jié)果 這會導(dǎo)致電壓大幅下降。圖5顯示了具有 Hyper Speed Control和占空比調(diào)制控制的直流-直流轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)測量結(jié)果。組建兩個直流-直流轉(zhuǎn)換器；一個使用麥瑞超高速控制器MIC2164，另一個使用占空比調(diào)制PWM控制器。兩個都具有2.2μH的輸出感應(yīng)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(fù)載以 5A/μs的轉(zhuǎn)換速率從0A遞增至5A。具有超高速控制器的轉(zhuǎn)換器的壓降為208mV，而具有傳統(tǒng)占空比調(diào)制控制器的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器同樣的壓降，具有占空比調(diào)制控制器的轉(zhuǎn)換器須另外增加47μF的輸出電容。 總結(jié) 本文闡述了Hyper Speed Control和占空比調(diào)制控制的工作原理和機制，并對他們在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)條件下的性能進行了比較。Hyper Speed Control具有可實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)的優(yōu)勢，與占空比調(diào)制控制相比所需輸出電容較少。借助外部紋波注入網(wǎng)絡(luò)，對于任何類型的輸出電容它能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定；而占空比調(diào)制控制對輸出電容具有最低的ESR要求，以保證其控制環(huán)路的穩(wěn)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(yīng)用。 |
