每一位電源工程師都熟知并學(xué)習(xí)過電壓模式和電流模式控制這些傳統(tǒng)的控制拓?fù)洌�但卻不太了解基于遲滯的拓?fù)浼捌鋬?yōu)勢。雖然純遲滯控制對于諸如醫(yī)療或工業(yè)自動化等特定應(yīng)用可能并不實用，然而許多比較新的電源拓?fù)涠际腔�于遲滯的，并且擁有旨在克服純遲滯控制的缺陷的額外特性。此類拓?fù)浔贿\用于從處理器內(nèi)核供電到汽車系統(tǒng)等廣泛領(lǐng)域。

幾乎所有的電源均是專為提供一個穩(wěn)定的輸出電壓或電流而設(shè)計的。提供這種輸出調(diào)節(jié)功能需要一個閉環(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可用反饋環(huán)路進(jìn)行補償?shù)牟煌�控制拓�(fù)�，但它們通常都可以被歸為兩類：脈寬調(diào)制 (PWM) 或遲滯。在這兩種基本拓?fù)涞幕�礎(chǔ)上演變出了第三種拓?fù)�，其為此二者的融合：基于遲滯的拓?fù)�。針對不同的�?yīng)用，這些控制拓?fù)涓饔袃?yōu)缺點。

電壓模式控制

脈寬調(diào)制 (PWM) 控制被歸為兩種基本類型：電壓模式和電流模式。為簡單起見，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，請見參考文獻(xiàn) 1。圖 1 示出了降壓轉(zhuǎn)換器中電壓模式控制的基本方框圖 2。

圖 1：電壓模式控制包括了誤差放大器、時鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(VREF)

 

當(dāng)采用電壓模式控制來調(diào)節(jié)輸出電壓時，它通過一個連接至其反饋 (FB) 輸入的阻性分壓器來檢測輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨后將該FB信號與一個高準(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。通過僅調(diào)節(jié)輸出電壓和其他良好受控的內(nèi)部信號（比如：時鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓），該拓?fù)渚邆浞浅�強的抗噪聲能力。而且它還相當(dāng)?shù)睾唵蚊髁恕＠�用輸入電壓前饋保持了簡單性，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線路電壓瞬變的響應(yīng)。較后，時鐘實現(xiàn)了開關(guān)頻率的控制，包括使電路同步至一個外部時鐘源的可能性。

 

電壓模式控制的主要劣勢是必需的環(huán)路補償及對應(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中引入了一個雙極點，該雙極點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圍布設(shè)兩個正確定位的零點。由于該雙極點的頻率通常很低，因而環(huán)路帶寬被限制在較低的水平。一般情況下，其被限制為不超過開關(guān)頻率的 1/10。這對電源的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響。因此，設(shè)計人員必須通過增加輸出電容來獲得更好的瞬態(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值的，尤其在那些對噪聲敏感的應(yīng)用中。電壓模式控制的高噪聲耐受性及其可同步至一個系統(tǒng)時鐘的能力使其很適合于對噪聲較為敏感的應(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單的 － 所有控制拓?fù)渲休^簡單的一種（圖 2）3。在其端子之間具有某些小遲滯的比較器通過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：簡單的遲滯控制拓?fù)渲恍枰粋�比較器和內(nèi)部VREF

 

這種直接控制輸出電壓的優(yōu)勢在于控制環(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，控制環(huán)路開始做出反應(yīng)所需的時間僅受限于比較器和柵極驅(qū)動器中的傳播延遲。誤差信號不必穿過低帶寬誤差放大器。因此，遲滯拓?fù)涫撬俣容^快的控制拓?fù)洹?/p>

 

此外，其工作原理的簡單性還使其能在無需任何環(huán)路補償?shù)那闆r下保持固有的穩(wěn)定性。而且這種簡單性也使之成為一種低成本的拓?fù)�。在電源中沒有需要設(shè)計、構(gòu)建和測試的振蕩器或誤差放大器�？刂崎_關(guān)動作僅需一個基本的比較器即可。

 

遲滯拓?fù)涞闹饕�缺陷是其開關(guān)頻率變化。沒有負(fù)責(zé)設(shè)定開關(guān)頻率的時鐘或同步信號。取而代之的是，開關(guān)頻率由遲滯量以及外部組件和工作條件來設(shè)定。

 

當(dāng)采用純遲滯轉(zhuǎn)換器時，預(yù)計在輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)將發(fā)生很大的頻率變化。而且，如果不采用一個高增益誤差放大器的話，所實現(xiàn)的輸出電壓的DC設(shè)定點有可能不如采用電壓模式控制時那么精準(zhǔn)。較后，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)運用純遲滯拓?fù)鋾r，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），由于此類終端設(shè)備的價位非常之低，而且其低功率在遲滯電源的寬開關(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)鋪砭S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)，則開關(guān)頻率被保持在一個可接受的范圍之內(nèi)。這使得遲滯控制成為那些依靠一個固定輸入電壓運作并產(chǎn)生一個固定輸出電壓的應(yīng)用的有效選擇。

 

基于遲滯的控制

許多控制拓?fù)鋸母�本上說都是遲滯的，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�。例如，它們包括D-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，DCS-Control（采用至節(jié)能模式的無縫轉(zhuǎn)換的直接控制）是一種遲滯拓?fù)�，但其融合了電壓模式和電流模式的某些特性（圖 3）。和在電壓模式控制中一樣，遲滯比較器將一個誤差放大器的輸出與一個鋸齒波形進(jìn)行比較。

圖 3：在基于遲滯的DCS-Control拓?fù)渲�，誤差放大器和內(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)通定時器 (on timer) 是基于遲滯的拓?fù)渌�特有�?o:p>

 

該鋸齒波并非產(chǎn)生自某個時鐘，而是通過一個與輸出電壓直接相連的特殊電路產(chǎn)生在VOS輸入引腳上。實質(zhì)上，遲滯比較器仍然具有一個通過該VOS引腳至輸出電壓的直接連接，并接入了一個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還運用了一種導(dǎo)通時間電路以控制開關(guān)頻率。較后，內(nèi)置了必需的環(huán)路補償功能電路以實現(xiàn)穩(wěn)定性。

 

DCS-Control的主要優(yōu)點是可保持遲滯轉(zhuǎn)換器非�？斓乃矐B(tài)響應(yīng)以及電壓模式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓準(zhǔn)確度，同時克服了這兩種拓?fù)淦渌�的關(guān)鍵缺陷，即：緩慢的響應(yīng)時間、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控制環(huán)路傳播，而不會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實施方案而言，其主要缺點是無法同步至一個時鐘。作為一種基于遲滯的拓?fù)�，其并未提供時鐘輸入信號，而是提供了一個在各種工作條件下變化極小的受控開關(guān)頻率。在某些場合中，該變化小于電壓模式轉(zhuǎn)換器的時鐘頻率容差。

 

諸如 DCS-Control等基于遲滯的拓?fù)淦漭^佳的使用場合是那些會遭遇大的瞬變并需要極高輸出電壓準(zhǔn)確度的應(yīng)用。此類應(yīng)用包括為嵌入式或計算系統(tǒng)中的處理器內(nèi)核供電，以及工業(yè)自動化和汽車信息娛樂系統(tǒng)。

 

結(jié)論

對于不同的應(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能提供同類較佳的瞬態(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，因此意味著對于幾乎所有的應(yīng)用而言都很可能有一種較優(yōu)的電源解決方案。

 

參考文獻(xiàn)

1. Robert Mammano，開關(guān)電源拓?fù)洌弘妷耗Ｊ脚c電流模式的比較，設(shè)計筆記 (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

 

Christopher James Glaser 是 TI 低功耗 DC/DC 產(chǎn)品組的一名應(yīng)用工程師。他的工作職責(zé)是為客戶提供所需支持、設(shè)計評估模塊 (EVM)、撰寫應(yīng)用筆記、培訓(xùn)現(xiàn)場工程師和客戶、并編制相關(guān)的技術(shù)隨附材料，以幫助簡化的 TI 器件的使用。他擁有德州農(nóng)工大學(xué)（位于美國德克薩斯州卡城）電機工程學(xué)士學(xué)位。他的聯(lián)系方式為 ti_cglaser@list.ti.com