開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制回路響應(yīng)的原理與基本特性

開(kāi)關(guān)DC-DC電壓調(diào)節(jié)器(“開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器”)依賴(lài)于閉合反饋控制回路，以確保在變化的負(fù)載條件下保持所需的電壓和電流輸出。該控制回路的性能影響電源的關(guān)鍵性能參數(shù)，包括線路和負(fù)載調(diào)節(jié)，穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

工程師可以通過(guò)測(cè)量控制回路的頻率響應(yīng)來(lái)量化控制回路的性能。電壓調(diào)節(jié)器可在很寬的頻率范圍內(nèi)工作。然后可以通過(guò)將補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合到電路中來(lái)“調(diào)諧”頻率響應(yīng)。如果工作做得好，最終結(jié)果是一個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，它在很寬的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定但沒(méi)有過(guò)度補(bǔ)償，因此其動(dòng)態(tài)響應(yīng)很差。

本文介紹了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路的基本原理，然后介紹了精心設(shè)計(jì)的模塊化開(kāi)關(guān)控制器和穩(wěn)壓器的一些示例，這些控制器和穩(wěn)壓器可用作高性能電源的基礎(chǔ)。

電壓調(diào)節(jié)器控制回路

反饋控制回路是簡(jiǎn)單的概念?？刂蒲h(huán)的目的是約束系統(tǒng)變量(例如，輸出)，使其保持在期望值。系統(tǒng)變量不斷受到監(jiān)控，并與參考值進(jìn)行比較，參考值等于所需的輸出。然后使用誤差信號(hào)(期望值和實(shí)際輸出之間的差值)來(lái)調(diào)整系統(tǒng)變量以使其恢復(fù)正常。

在開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中，系統(tǒng)變量是電壓(和/或電流)與電路設(shè)計(jì)者設(shè)定的參考值進(jìn)行比較。然后將誤差放大器的輸出(誤差信號(hào))饋入比較器，該比較器調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)晶體管的占空比。占空比與輸出電壓成正比。圖1顯示了升壓(“升壓”)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的反饋環(huán)路的簡(jiǎn)化原理圖。

圖1：控制的簡(jiǎn)化原理圖用于升壓調(diào)節(jié)器的回路。 (由Fairchild Semiconductor提供)

在完美的控制環(huán)路中，無(wú)論負(fù)載或輸入電壓如何發(fā)生，輸出電壓都將保持鎖定在參考電壓。在實(shí)際電路中，負(fù)載和輸入電壓的變化會(huì)在一定程度上擾亂輸出。工程師希望設(shè)計(jì)他或她的電路，以便控制回路盡可能快地響應(yīng)變化并精確調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)保持穩(wěn)定。

控制回路可以通過(guò)其頻率響應(yīng)來(lái)表征。頻率響應(yīng)表示開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器如何在一定頻率范圍內(nèi)的規(guī)定工作條件下作出反應(yīng)(由電壓調(diào)節(jié)器的“傳遞函數(shù)”確定)。頻率響應(yīng)是電壓調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)模型，顯示輸入電壓，負(fù)載和占空比的變化如何根據(jù)頻率影響輸出電壓。頻率響應(yīng)會(huì)影響電壓調(diào)節(jié)器的反應(yīng)時(shí)間，精度和穩(wěn)定性。

增益和相位差

電路的頻率響應(yīng)可以通過(guò)數(shù)學(xué)建模或測(cè)試來(lái)確定。實(shí)際設(shè)計(jì)(或兩者的組合)。這兩種方法都不是微不足道的，但電壓調(diào)節(jié)器制造商提供有用的應(yīng)用說(shuō)明和在線軟件來(lái)協(xié)助這兩種技術(shù)。 (例如，德州儀器(TI)應(yīng)用報(bào)告 1 是實(shí)用測(cè)量技術(shù)的有用指南。)

奈奎斯特穩(wěn)定性定理可用于表征頻率響應(yīng)控制回路，但它是一個(gè)復(fù)雜的分析，需要高水平的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)提取設(shè)計(jì)洞察力。幸運(yùn)的是，開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器不可避免地在輸出級(jí)包括一個(gè)低通濾波器，這簡(jiǎn)化了頻率響應(yīng)，因此Bode圖可以用來(lái)描述傳遞函數(shù)來(lái)代替奈奎斯特?cái)?shù)據(jù)。與奈奎斯特分析產(chǎn)生的極坐標(biāo)圖相比，波德圖更容易分析。

波特圖是傳遞函數(shù)的幅度和相位隨頻率變化的曲線圖，其中幅度分別以分貝和相位繪制，而頻率以對(duì)數(shù)刻度顯示。圖2顯示了圖1所示升壓調(diào)節(jié)器的增益和相位波特圖。

圖2：升壓穩(wěn)壓器的增益和相位波特圖。 (Fairchild Semiconductor提供)

這些圖揭示了控制回路性能的一些關(guān)鍵信息。第一個(gè)興趣點(diǎn)是交叉頻率(fc)。這是控制環(huán)路增益為單位(0 dB)的頻率，也稱(chēng)為環(huán)路帶寬(本例中約為7 kHz)。第二個(gè)興趣點(diǎn)是相位滯后達(dá)到180 o 的位置(本例中約為25 kHz)。相位裕度(PM)等于180 o 減去fc處的相位滯后(對(duì)于該示例，約為60 o )。增益裕度(GM)是相位滯后180 o 的增益(在這種情況下為20 dB)。

假設(shè)增益曲線只有一次(0 dB) (對(duì)于在輸出級(jí)具有低通濾波器的電壓調(diào)節(jié)器實(shí)際上總是如此)，如果fc處的相位滯后小于180度，則系統(tǒng)將是穩(wěn)定的。在其他頻率，相位滯后可超過(guò)180 o 并且控制回路仍將保持穩(wěn)定。對(duì)于大多數(shù)控制回路，經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大于45 o (且小于315°)的相位裕度。通常，相位裕度為45 o 提供良好的瞬態(tài)響應(yīng)和良好的阻尼。對(duì)于升壓或降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，增益裕度應(yīng)高于10 dB。

即使控制環(huán)路相位滯后超過(guò)180°，許多系統(tǒng)也可以穩(wěn)定增益大于0 dB o 頻率小于fc。然而，當(dāng)環(huán)路增益減小時(shí)，這樣的系統(tǒng)可能變得不穩(wěn)定。這些系統(tǒng)只是“有條件”穩(wěn)定，并沒(méi)有表現(xiàn)出良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

(注意，在低負(fù)載時(shí)，大多數(shù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將進(jìn)入不連續(xù)的電流導(dǎo)通模式。在這種模式下，電路的頻率響應(yīng)會(huì)發(fā)生變化。另請(qǐng)注意，沒(méi)有輸入電壓前饋的電壓模式轉(zhuǎn)換器會(huì)隨著輸入電壓的變化而出現(xiàn)頻率響應(yīng)的變化。[請(qǐng)參閱TechZone文章“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器連續(xù)和不連續(xù)模式之間的差異及其重要性”和“電壓和電流” - 直流 - 直流開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中PWM信號(hào)生成的模式控制“。]

初始電路布局證明不合適并改變電路的頻率響應(yīng)的可能性甚至超過(guò)均勻工程師需要引入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是塑造控制環(huán)路增益，使fc移動(dòng)到合適的位置，相位和增益裕度導(dǎo)致良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，線路和負(fù)載調(diào)節(jié)以及穩(wěn)定性。有幾種類(lèi)型的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，這些將在另一篇TechZone文章中討論。

精心設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器在電學(xué)和聲學(xué)上都很安靜。對(duì)于欠補(bǔ)償系統(tǒng)而言，情況并非如此，這些系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生來(lái)自磁性元件或陶瓷電容器的可聽(tīng)噪聲，開(kāi)關(guān)波形中的抖動(dòng)，輸出電壓的振蕩以及許多其他不期望的特性。

另一方面，過(guò)度補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)可以非常穩(wěn)定和安靜，但代價(jià)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢。這種系統(tǒng)的fc將以低頻率發(fā)生，通常低于10kHz。慢動(dòng)態(tài)響應(yīng)設(shè)計(jì)需要過(guò)大的輸出電容，以滿(mǎn)足瞬態(tài)調(diào)節(jié)要求，從而增加了電源的總體成本和尺寸。當(dāng)然，訣竅是取得平衡。最佳補(bǔ)償設(shè)計(jì)穩(wěn)定安靜，但響應(yīng)速度快，輸出電容最小。

使用電源模塊

雖然從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有一些優(yōu)勢(shì)(參見(jiàn)TechZone文章“DC/DC穩(wěn)壓器：如何在離散和模塊化設(shè)計(jì)之間進(jìn)行選擇”)，許多工程師將其電源設(shè)計(jì)基于半導(dǎo)體供應(yīng)商的電源模塊，如Fairchild Semiconductor，Linear Technology，TI和Maxim Integrated。

電源模塊將電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的許多電路元件集成到一個(gè)芯片中。例如，控制器集成了誤差測(cè)量和脈沖寬度調(diào)制器(PWM)系統(tǒng)(設(shè)置占空比)，同時(shí)調(diào)節(jié)器將開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)元件本身添加到控制器電路。通常，工程師只需選擇電感器和濾波器元件來(lái)補(bǔ)充穩(wěn)壓器芯片，電源即可運(yùn)行。

電源模塊將主要(但不是完全)確定基于模塊的設(shè)計(jì)的初始頻率響應(yīng)，因此工程師查閱給定芯片的數(shù)據(jù)表以檢查其是否可能符合其建議設(shè)計(jì)的規(guī)范非常重要。

圖3(a)和(b)顯示了用于降壓穩(wěn)壓器的凌力爾特LTC3829控制器的控制環(huán)增益和相位的波特圖。 (這些圖是使用公司的LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具生成的。)控制器可以驅(qū)動(dòng)所有N通道同步功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)級(jí)。該器件采用4.5至38 V輸入工作，輸出電壓為0.6至5 V.該器件的效率高達(dá)94%，可在250至770 kHz范圍內(nèi)以可選擇的固定頻率工作。

圖3(a)：Linear Technology LTC3829控制器的控制環(huán)路增益。

圖3(b)：Linear Technology LTC3829控制器的控制回路相位。

從圖中可以看出，LTC3829的fc為45 kHz，相位裕度為64 o 。增益裕度接近20 dB。這些數(shù)據(jù)使控制器成為穩(wěn)定而靈敏的電壓調(diào)節(jié)器的良好基礎(chǔ)。

TI提供各種開(kāi)關(guān)電源控制器和穩(wěn)壓器電源模塊。圖4顯示了基于TPS23754控制器的公司參考設(shè)計(jì)的頻率響應(yīng)。 TPS23754針對(duì)以太網(wǎng)供電(PoE)供電設(shè)備(PD)應(yīng)用中的隔離調(diào)節(jié)器角色進(jìn)行了優(yōu)化(請(qǐng)參閱TechZone文章“新一代PoE控制器輕松處理更高功率”)。同樣，這是一個(gè)設(shè)計(jì)良好的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的例子，其相位裕度為92 o 和25 dB的增益裕度。

圖4：PoE應(yīng)用的基于TI TPS23754的電源參考設(shè)計(jì)的控制環(huán)路增益和相位。

就其本身而言，Maxim Integrated在其數(shù)據(jù)表中為其許多開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器提供了有用的頻率響應(yīng)波特圖。該公司還提供的器件不僅集成了電感器，還集成了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，以確保開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定響應(yīng)。

例如，MAX17505是一款高壓同步降壓穩(wěn)壓器，具有雙集成MOSFET，工作電壓范圍為4.5至60 V。它在0.9 V至90%VIN輸出電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)1.7 A的電流。圖5顯示了MAX17505的頻率響應(yīng)，表明fc為60.7 kHz，相位裕度為59 o 。

圖5：Maxim MAX17505開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的控制環(huán)路增益和相位。

需要基準(zhǔn)測(cè)試

原則上開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的控制環(huán)路很容易理解，在實(shí)踐中表現(xiàn)更難掌握。即使是最專(zhuān)業(yè)的工程師也可能需要數(shù)天才能補(bǔ)償在紙上看起來(lái)不錯(cuò)的電源設(shè)計(jì)，但證明其不穩(wěn)定或動(dòng)態(tài)響應(yīng)不佳。

選擇一個(gè)集成了大部分電源組件并由制造商進(jìn)行內(nèi)部補(bǔ)償?shù)目刂破骰蚍€(wěn)壓器模塊可以緩解這一挑戰(zhàn)。但是，添加外部濾波器組件可能會(huì)改變模塊的頻率響應(yīng)，因此可能需要進(jìn)行額外的設(shè)計(jì)工作。主要組件制造商提供設(shè)計(jì)軟件來(lái)模擬所提議設(shè)計(jì)(包括外部濾波器組件)的頻率響應(yīng)。這縮短了設(shè)計(jì)過(guò)程，但通常仍需要一些原型臺(tái)架測(cè)試來(lái)改進(jìn)精心設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。