- 簡(jiǎn)要介紹這些不同類型的降壓轉(zhuǎn)換器的特征
- 展示每種類型最適合的應(yīng)用要求
降壓電源轉(zhuǎn)換器自 20 世紀(jì) 60 年代開始應(yīng)用于電子元件，自那以后，人們開發(fā)出了眾多基于降壓電源轉(zhuǎn)換原理的型號(hào)。 特別是 IC 制造商開發(fā)了許多不同類型的控制電路，可以滿足各種不同的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求。
此高密謀意味著，對(duì)于需要指定電源 IC 但又非電源專家的設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，這是件令人頭痛的事，因?yàn)樗枰u(píng)估數(shù)千件具有不同特征的部件，從而找出最適合其應(yīng)用的部件。
本文旨在簡(jiǎn)要介紹這些不同類型的降壓轉(zhuǎn)換器的特征，并展示每種類型最適合的應(yīng)用要求，從而簡(jiǎn)化這一過(guò)程。
簡(jiǎn)介
在降壓轉(zhuǎn)換器中，電源階段包括開關(guān)（通常為 MOSFET）、續(xù)流二極管或第二個(gè) MOSFET、電感器和輸出電容器，如圖 1 所示。 其工作原理非常簡(jiǎn)單。 在時(shí)間 0 處，Q1打開，并且電流在電感器中增大，其中斜率取決于 Vin 和Vout 的值。 在導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)，MOSFET 關(guān)閉，電流繼續(xù)流過(guò)二極管，并且以與 -Vout 成正例的斜率減小（參見圖2）。在經(jīng)過(guò)充足的循環(huán)次數(shù)后，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)輸出電壓(Vout) 理論上的表達(dá)式為：
占空比是指開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間（活動(dòng)時(shí)間）與變換頻率的整個(gè)期間 T 之間的比率。 然而，上述等式僅在設(shè)備不產(chǎn)生損耗的理想情況下才成立。 真實(shí)情況比較復(fù)雜，實(shí)際性能不僅受損耗的影響，而且還受溫度和時(shí)間變化的影響。
因此，在基本電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頂部，降壓轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)可管理占空比的控制系統(tǒng)，才能獲得靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能屬性，例如輸出電壓準(zhǔn)確度、瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。有三種控制降壓轉(zhuǎn)換器的基本方法：電壓模式、電流模式和滯環(huán)模式。 每個(gè)控制流程的簡(jiǎn)要說(shuō)明。
電壓模式轉(zhuǎn)換器控制
電壓模式控制是一種最易理解同時(shí)也是應(yīng)用最廣泛的控制方案。 在電壓模式控制中，輸出電壓受到感應(yīng)，并且其中的一小部分與參考值一起饋輸送至運(yùn)算放大器；放大器（稱為錯(cuò)誤放大器）的輸出與實(shí)際輸出電壓和所需輸出電壓之間的差值相關(guān)聯(lián)。 然后，過(guò)濾的錯(cuò)誤在整個(gè)固定頻率鋸齒形斜坡上比較，從而設(shè)定控制器的頻率。 時(shí)鐘信號(hào)啟動(dòng)循環(huán)，并且 MOSFET 打開。當(dāng)斜坡信號(hào)開始大于錯(cuò)誤信號(hào)時(shí)，插銷會(huì)重置，并且 MOSFET 關(guān)閉。 錯(cuò)誤越大，比較器輸出打開的時(shí)間越長(zhǎng)。
考慮采用電壓模式控制降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)工程師看重此類設(shè)備能夠使用各種占空比，并且對(duì)噪音不太敏感。另一方面，由于控制器僅能了解對(duì)輸出電壓的瞬態(tài)影響 -不能感應(yīng)瞬態(tài)電流自身，因此瞬態(tài)響應(yīng)不太理想。 事實(shí)上，通常會(huì)實(shí)施輸入電壓前饋，從而對(duì)線路電壓變化進(jìn)行校正。
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電壓模式控制的最新產(chǎn)品示例包括美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體制造的LM2267x Simple Switcher® 系列以及 Micrel 制造的 MIC472x和 MIC468x 系列。 這些部件包括內(nèi)部補(bǔ)償，因此可在各種應(yīng)用中方便地使用它們。
電流模式控制
之所以采用“電流模式控制”這一名稱，是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器輸出由所選的開關(guān)峰值電流控制。時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間和電感器電流升高；測(cè)量開關(guān)電流（在導(dǎo)通期間等于電感器電流）并與參考值比較；最終，開關(guān)電流達(dá)到參考值的水平，此時(shí)開關(guān)關(guān)閉，關(guān)閉的時(shí)間為變換期間的剩余時(shí)間。這意味著，占空比不受直接控制，而是取決于控制輸入和其他轉(zhuǎn)換器變量。
控制輸入通常由第二個(gè)反饋環(huán)路（用于控制轉(zhuǎn)換器輸出）設(shè)定；輸出電壓受到感應(yīng)，并且與在電壓模式控制中一樣，具有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的錯(cuò)誤放大器生成輸入控制信號(hào)。此控制設(shè)計(jì)的效果是系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，通常會(huì)形成更廣、更強(qiáng)大的控制帶寬。 結(jié)果，它使用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)比電壓模式控制方案中要求的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)更加簡(jiǎn)單。電流模式轉(zhuǎn)換器的一個(gè)缺點(diǎn)是它們對(duì)感應(yīng)電流信號(hào)中的噪音比較敏感：在低占空比的情況下操作時(shí)，容易受打開時(shí)產(chǎn)生的反向峰值二極管電流的干擾。
滯環(huán)模式
采用滯環(huán)控制模式的轉(zhuǎn)換器將輸出電壓保持在以參考電壓為中心的滯環(huán)范圍內(nèi)。在基本滯環(huán)控制器中，輸出電壓受到感應(yīng)，并且其中的一小部分饋送給滯環(huán)比較器：當(dāng)感應(yīng)電壓進(jìn)一步降至參考值以下且大于滯環(huán)值時(shí)，設(shè)定比較器并且開關(guān)開啟。
一旦輸出電壓高于目標(biāo)電壓和磁滯之和，重置比較器并關(guān)閉開關(guān)。這是最簡(jiǎn)單的控制模式：它不需要反饋補(bǔ)償，因此可提供最快的瞬態(tài)響應(yīng)，并且所需的組件數(shù)量較少。 缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換頻率變化不定（取決于負(fù)載和電壓源條件）；在某些應(yīng)用中，輸出電壓紋波的固有級(jí)別是不可接受的，例如，盡管Micrel 在其 HyperLight Load 設(shè)備中實(shí)施了非常快速的管制環(huán)路，以便最小化輸出電壓紋波，但仍有可能達(dá)不到要求。
衍生產(chǎn)品和實(shí)際實(shí)施
每種基本控制模式都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及自身的操作方式。 為了盡可能消除缺點(diǎn)或?yàn)榱颂峁┠承┨囟☉?yīng)用所需的額外益處，轉(zhuǎn)換器制造商已開發(fā)出了這三種基本控制器類型的衍生型號(hào)。例如，某些應(yīng)用要求變換頻率設(shè)定在相當(dāng)窄的范圍內(nèi)以避免某些敏感頻率；這通常會(huì)排除滯環(huán)模式控制器的使用，因?yàn)樗淖儞Q頻率變化不定。 但有一種解決方案：恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 轉(zhuǎn)換器。
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在這種控制器中，導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓成反比，但對(duì)于給定的輸入電壓，不論負(fù)載電流如何，它都是固定的。 這樣，變換頻率可在輸入電壓范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體推出了 COT 控制器的增強(qiáng)版本：仿真紋波模式 (ERM) 控制器。 這些設(shè)備采用特殊設(shè)計(jì)，不用再像普通 COT 控制器那樣依賴輸出電容器阻抗來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性。 ERM 調(diào)壓設(shè)備的示例包括美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體推出的LM315x 系列和 LM3100。
此外，還嘗試克服電流模式控制方案的局限性。 如上所述，電流模式控制的缺點(diǎn)是對(duì)電流測(cè)量電路中的噪聲太敏感：這會(huì)妨礙低占空比應(yīng)用。 為克服這一問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體已開發(fā)出了仿真電流模式 (ECM) 控制。 這一控制方案基于峰值電流控制模式，但電流斜坡是模擬的，而不是測(cè)量的。
ECM 控制器的主要應(yīng)用是從高輸入電壓轉(zhuǎn)換到低輸出電壓，同時(shí)在窄占空比的情況下操作。 ECM 調(diào)壓裝置的示例包括 LM557x 系列。
識(shí)別正確的轉(zhuǎn)換器類型
從上面可以看出，盡管每種控制器類型都具有特定的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于某些應(yīng)用要求，需要混合使用多種類型的控制器才能合理地解決。 圖 3 提供了旨在簡(jiǎn)化一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換器類型選擇過(guò)程的決策樹。 表 1 還顯示了目前市場(chǎng)上用于實(shí)施各種控制方案的主要產(chǎn)品。應(yīng)該說(shuō)，盡管衍生類型并不需要特別適用于某一應(yīng)用場(chǎng)合：專家設(shè)計(jì)人員可能依賴基本控制設(shè)備提供的選擇自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)特定所需的性能，這可能是其中一種衍生產(chǎn)品無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
