有多種不同的控制方案用于實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。電流模式控制，以其最簡(jiǎn)單的形式監(jiān)控峰值開關(guān)電流，具有一些非常好的好處。這是在開關(guān)穩(wěn)壓器中實(shí)現(xiàn)高性能的一種流行方式。在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要注意一些注意事項(xiàng)，但這些很容易解決，正如我將在這篇文章中討論的那樣。

峰值電流模式控制的好處

圖 1 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器中峰值電流模式控制的基本實(shí)現(xiàn)。有兩個(gè)控制回路在運(yùn)行：一個(gè)快速的內(nèi)部回路，將控制信號(hào) Ve 與模擬的開關(guān)電流 Vcs 進(jìn)行比較以設(shè)置脈沖寬度，以及一個(gè)較慢的外部回路，將輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較以生成內(nèi)部控制信號(hào)環(huán)形。其效果是為輸出電容器和負(fù)載形成一個(gè)受控電流源，而電感器在調(diào)節(jié)輸出電壓的同時(shí)從傳遞函數(shù)中“消失”。與輸出 LC 網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的雙極點(diǎn)變成了單極點(diǎn)，這更容易穩(wěn)定，尤其是陶瓷輸出電容器具有固有的低 ESR 和高頻零。

圖 1. 峰值電流模式控制方案

使用電流模式控制，可以很容易地保護(hù)開關(guān)免受過流的影響，因?yàn)?a target="_blank">電流檢測(cè)信號(hào)可以與參考信號(hào)進(jìn)行比較，以在超過設(shè)定值時(shí)快速關(guān)斷。還有一種自然的快速“前饋”效應(yīng)，其中輸入電壓的變化會(huì)立即反映在開關(guān)電流斜坡速率中，直接影響關(guān)斷點(diǎn)，而無需等待輸出電壓中的誤差在慢速外部傳播校正前循環(huán)。

不過，在使用峰值電流模式控制進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有幾件事需要注意：噪聲拾取和次諧波不穩(wěn)定性。

嘈雜的信號(hào)

在保持電流感測(cè)元件的低功耗和具有足夠的合成電壓以避免噪聲問題之間存在沖突。在典型方案中，來自最大感測(cè)電流的電壓可能在 1V 左右，但在輕負(fù)載時(shí)，該值按比例減小。由于 di/dt 通過電路電感、寄生電容的充電和放電以及二極管反向恢復(fù)瞬態(tài)，電流信號(hào)邊緣的尖峰是不可避免的。這些可能會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器過早關(guān)閉和混亂操作，因?yàn)樗鼈冊(cè)谳p負(fù)載時(shí)會(huì)成比例地增加信號(hào)。仔細(xì)的電路板布局當(dāng)然有幫助，適當(dāng)?shù)睦渎湟灿袔椭?，但通常這在所有情況下都不夠。感應(yīng)信號(hào)上的簡(jiǎn)單 RC 濾波器可衰減尖峰，但會(huì)增加延遲，使限流精度降低，并導(dǎo)致在低負(fù)載和低占空比下失去控制。電流感應(yīng)變壓器是一種獲得可用電壓電平且功耗很小的方法，但與電阻感應(yīng)相比，它可能既昂貴又笨重。在高占空比下重置變壓器也可能是一個(gè)問題。

一種有效的解決方案是在低電壓電平下進(jìn)行電阻式感應(yīng)，在前沿消隱的情況下，控制芯片在固定周期內(nèi)忽略電流感應(yīng)信號(hào)，通常在每個(gè)周期開始時(shí)為 50ns。隨著諸如 Maxim 等公司將 MOSFET 和最終磁性元件集成到芯片中的進(jìn)展，問題逐漸消退。開關(guān)電流環(huán)路變得更小且更可預(yù)測(cè)，IC 制造商能夠在內(nèi)部補(bǔ)償瞬態(tài)。

更奇特的技術(shù)可以使用輸出電感器本身的電阻來檢測(cè)電流。然而，需要電路從電阻電壓降中減去正常的開關(guān)波形，并補(bǔ)償銅繞組電阻隨溫度的顯著變化。

次諧波不穩(wěn)定性

次諧波不穩(wěn)定性源于控制峰值電感電流，而不是控制平均電流的理想狀態(tài)。如果降壓轉(zhuǎn)換器的占空比小于 50%，輸入電壓的微小干擾會(huì)導(dǎo)致峰峰值紋波電流發(fā)生微小變化。輸入電壓的負(fù)擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致峰峰值紋波電流減小。由于關(guān)閉時(shí)間大于開啟時(shí)間（《50% DC），因此電流有時(shí)間斜坡下降到等于其啟動(dòng)周期電流的新穩(wěn)態(tài)值。在占空比高于 50% 時(shí)，關(guān)斷時(shí)間比導(dǎo)通時(shí)間短，電感電流斜坡下降不會(huì)回到起始值，因此下一個(gè)周期以更高的紋波電流開始，使平均電流暫時(shí)較高。負(fù)載電流是恒定的，因此增加的電流只能流入輸出電容，稍微提高其電壓。控制環(huán)路會(huì)在幾個(gè)周期內(nèi)糾正由此產(chǎn)生的輸出電壓誤差，但與此同時(shí)，脈沖寬度“抖動(dòng)”通常為開關(guān)頻率的一半。請(qǐng)參見圖 2。

圖 2. D》0.5 的次諧波不穩(wěn)定性

對(duì)此的解決方案是人為地在導(dǎo)通時(shí)間感測(cè)電流波形上添加一些斜率，這可以很容易地從 I2C 時(shí)鐘信號(hào)中導(dǎo)出?；蛘?，可以從誤差電壓中減去額外的斜率。該技術(shù)如圖 3 所示。

可以看出，如果在比較器輸入端添加一個(gè)斜率，等于來自電感下降斜率的等效信號(hào)的 50%，則峰值電流檢測(cè)點(diǎn)會(huì)調(diào)整以使平均電感電流在占空比擾動(dòng)的情況下保持恒定。這確保了干擾在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)消失并保持穩(wěn)定性。在實(shí)踐中，通常將更多斜率添加到電流檢測(cè)信號(hào)的 100%，以確保在高占空比下的穩(wěn)定性。如果增加了過大的斜率，轉(zhuǎn)換器將越來越失去電流模式控制的優(yōu)勢(shì)，并且表現(xiàn)得更像是在電壓模式下。

對(duì)于給定的輸出電壓 Vout 和電感 L，電感波形的下降斜率 di/dt 是固定的。

這確實(shí)意味著在簡(jiǎn)單的電路中，斜率補(bǔ)償并不總是最適合可變輸出電壓，盡管可以進(jìn)行更復(fù)雜的可變補(bǔ)償——這是數(shù)字控制功能的良好候選者。

在諸如 Maxim 產(chǎn)品系列中的高集成度控制 IC 中，斜率補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜性通過電流檢測(cè)和電平轉(zhuǎn)換在內(nèi)部進(jìn)行處理，從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的工作。

審核編輯：郭婷