磁滯模式電源穩壓器

2021-01-08 電子產品世界

低壓降穩壓器（ldo）對於系統工程師而言，幾乎成為電源設計的代名詞，也是最佳選擇。但隨著電子產品種類日益增多，如筆記本電腦、mp3 和 dvd 播放器等，它們對電源的需求也不盡相同。負載電流開始增加，從數百毫安到 1安培以上；而輸出電壓則在不斷下降，從 3.3v、2.5v 一直到現在的 1.2v 或更低。鑑於此，ldo已很難面面俱到，尤其對溫升與電池壽命皆是一大考驗。

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開關式電源 （switching power）正逐步被應用於可攜式電子設備之中，其中又以脈衝寬度調製(pwm)的使用最為普遍。但在使用 pwm 的過程中，保持迴路穩定性（loop stability）的問題一直讓大家感到舉步維艱。此外，設計工程師以往只著重在效率、成本以及電路板布局等方面進行考慮，但伴隨著負載變化越來越快速，瞬態響應能力卻似乎仍然尚未引起注意。對 cpu 或 dsp 而言，負載電流越大，di/dt（a/us）變化愈快，因此需要特別注意是否造成輸出電壓產生過衝 （overshoot）或下跳（undershoot）現象。除 pwm 外，還有一種有極佳瞬態響應與穩定性的電源穩壓架構 磁滯模式（hysteretic mode），它是屬於 pfm 方式的開關式電源器件。

通常，以時鐘（或頻率）而言，有 pwm、constant-on time、constant-off time 以及磁滯等不同方式；就反饋控制而言，則有電壓模式及電流模式等控制。此兩者在電源控制中相互搭配組合，且不會相互衝突。下面將重點討論電壓模式的磁滯控制。

什麼是電壓磁滯模式？

簡單地講，電壓磁滯模式即：
1.用比較器為基本控制組件；
2.輸出電容必須有 esr；
3.無法利用降低輸出電容 esr 來
減少輸出電壓的紋波；
4.不必擔心穩定度；
5.在輕負載時有較高效率，又不
會造成輸出紋波增加。


磁滯穩壓器的構造

圖1為一個簡化的磁滯控制器，調節器(modulator)是一個具有10~15mv輸入磁滯電壓窗口的比較器，用來比較反饋電壓與參考電壓。當反饋電壓超過磁滯電壓的1/2時，比較器沒有輸出，並且關閉mosfet開關。此關閉狀態將持續到反饋電壓低於1/2的磁滯電壓以下，且比較器輸出為high時，才會重新打開開關。

這種電源拓撲結構具有極為快速的響應能力，以滿足負載瞬間的變化。通過使用這一簡化的寬帶控制迴路，用戶將不必再採用誤差放大器，也無需進行頻率補償。不過與 pwm 設計不同，它的操作頻率不是由振蕩器設定的，而是取決於許多外在因素。


磁滯穩壓器的開關波形

磁滯穩壓器的開關波形見圖2，輸出開關的 on 和 off 時間與下列因素有關：

圖2 磁滯穩壓器的開關波形
輸入和輸出的電壓；


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