電壓和電流模式PWM信號產生的直流-直流開關調節器控制

開關DC至DC電壓轉換器(「調節器」)包括兩個元件：一個控制器和一個功率級。功率級採用了開關元件和將輸入電壓為所需的輸出。控制器監督的開關操作以調節輸出電壓。兩者是通過一個反饋迴路，與所需的輸出來導出誤差電壓進行比較的實際輸出電壓相連。控制器是關鍵到電源的穩定性和精確度，以及幾乎所有的設計採用了脈衝寬度調製(PWM)技術來調節。有生成的PWM信號的兩個主要方法：電壓模式控制和電流模式控制。電壓模式控制是先，但是它的缺點 - 如緩慢響應負載變化和環路增益，與輸入電壓改變 - 鼓勵工程師開發替代基於電流的方法。如今，工程師們可以從廣泛使用兩種控制技術的電源模塊選擇。這些產品採用的技術克服了前代的重大缺陷。本文介紹了電壓和電流模式控制技術的PWM信號產生的開關電壓調節器，並解釋了每個應用程式最適合。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/386671.htm

電壓模式控制

設計師負責建設的電源可以建立由分立元件的單位(見技術專區的文章「DC / DC穩壓器：如何選擇之間通過分立和模塊化設計」)集成，獨立的控制器和功率組件，或電源模塊兩個元件集成到一個晶片。但任何設計技術時，存在的可能性高，監管將採用的(典型的)的固定頻率的PWM技術。 (甲恆定開關頻率是希望的，因為它限制了由電源產生的電磁幹擾(EMI)。)在電壓模式控制調節器中，PWM信號由施加控制電壓(VC)的一個比較器的輸入和一個產生鋸齒波電壓(Vramp而使)(或「PWM斜坡」)固定頻率的，由時鐘產生，到另一個(圖1)。

圖1：PWM發生器的開關電壓調節器。 (禮貌：德州儀器)，PWM信號的佔空比成比例的控制電壓，並確定開關元件導通，因此，反過來，輸出電壓(見技術專區文章的時間的百分比的「使用PFM提高開關DC / DC穩壓器效率，在低負荷「)。該控制電壓從實際輸出電壓與所需輸出電壓(或基準電壓)之間的差得到的。調製器增益Fm的被定義為導致佔空比從0到100%(FM = D / VC = 1 / Vramp而使).1Figure 2示出了典型的開關調節器的積木去控制電壓的變化。功率級包括一個開關，二極體，電感器，變壓器(用於隔離設計)，和輸入/輸出電容器。這個階段將輸入電壓(VIN)為輸出電壓(VO)。電壓調節器的控制部具有與參考電壓(等於所希望的輸出)上的一個輸入和從另一分壓器輸出一個誤差放大器。分壓器是從輸出的反饋跟蹤供給。來自誤差放大器的輸出提供控制電壓(VC或「誤差電壓」)，其形成一個輸入到PWM comparator.2

圖2：控制部分和功率級電壓模式控制開關穩壓器的。 (Microsemi公司提供)電壓模式控制的優點包括：單反饋迴路使設計和電路分析更加容易;使用大振幅斜坡波形穩定的調製過程中提供良好的噪聲容限和低阻抗功率輸出多路輸出電源提供更好的交叉調整的。但該技術也具有一些顯著的缺點。例如，負載變化必須首先被檢測為輸出變化，然後通過反饋環路糾正 - 導致緩慢的響應。輸出濾波器複雜電路補償，從而可以更加困難，因為，該環路增益隨輸入電壓而變化的事實來製備。

電流模式控制

在80年代初期，工程師們想出了解決的電壓模式控制方法的不足之處替代開關電壓調節器技術。稱為電流模式控制，該技術導出PWM斜坡通過添加第二環路反饋電感電流。該反饋信號包括兩部分：將AC紋波電流，並且DC或電感電流的平均值。所述信號的放大形式被路由到PWM比較器的一個輸入端，而誤差電壓形成的另一輸入。由於與電壓模式控制方法，該系統時鐘確定PWM信號頻率(圖3)。

圖3：電流模式控制開關穩壓器。此處PWM斜坡是從所述輸出電感電流產生的信號產生的。 (德州儀器公司提供)電流模式控制地址電壓模式控制的反應慢，因為電感電流上升與由輸入和輸出電壓之間的差確定一個斜率，因此立即響應LINE-或負載電壓的變化。進一步的優點是，電流模式控制消除了與電壓模式控制方法的輸入電壓缺點環路增益變化。此外，由於在電流模式控制電路的誤差放大器的命令的輸出電流，而不是電壓，在電路響應輸出電感的影響最小化和補償更加容易。該電路還表現出相比電壓模式控制裝置的更高增益的帶寬。電流模式控制的其他好處包括固有脈衝由脈衝電流通過從誤差放大器夾緊命令限制性的，並簡化了負載分擔當多個功率單元被用在平行。有一段時間，電流模式控制看著有寄售電壓模式控制歷史。不過，雖然他們採取了一會兒浮出水面，工程師們發現，電流模式控制穩壓器帶來了獨特的設計挑戰。一個主要的缺點是電路分析是困難的，因為調節器的拓撲結構現在包括兩個反饋環路。第二個複雜問題是「內部」控制迴路(承載電感電流信號)的佔空比在50%以上的不穩定性。進一步的挑戰來自於一個事實，即由於控制環路從電感器的輸出電流得到，從功率級的共振噪聲引入該內控制loop.3限制電流模式控制調節到小於50的佔空比百分之強加的設備的輸入電壓嚴重的局限性。幸運的是，不穩定性問題可以通過「注入」少量斜率補償的進入內循環來解決。這種技術是為了保證在PWM佔空比的所有值穩定運行。斜率補償通過減去來自誤差放大器的輸出鋸齒電壓波形(在時鐘頻率上運行)來實現的。可替代地，補償斜坡電壓可以直接加在電感電流信號(圖4)。

圖4：斜率補償電流模式控制穩壓器。 (德州儀器公司提供)的數學分析表明，以保證電流環路穩定性的補償斜坡的斜率必須大於二分之一電流waveform.4的下降斜率的有市售許多電流模式控制調節器。 Microsemi的，例如，提供NX7102同步降壓型(「降壓」)穩壓器，具有電流模式控制。該晶片可以接受的4.75至18伏特的輸入範圍，並提供一個可調節的輸出下降到0.925五最大輸出電流為3A和峰值效率是百分之90至95根據輸入電壓。就其本身而言，德州儀器(TI)提供了一個廣泛的電流模式控制調節器。一個例子從2.5到12 V電源的TPS63060，同步降壓/升壓型(「提升」)的2.4MHz調節提供2.5至8 V輸出(在高達1 A)。該設備提供高達93%的效率，主要針對移動應用，例如可攜式計算機和工業計量設備。意法半導體還提供一系列電流模式控制設備，包括STBB2的。這是一個同步降壓/升壓2.5 MHz的穩壓器提供要麼2.9或3.4 V的輸出從2.4至5.5 V的輸入。該設備能夠提供高達800毫安90%的效率，並在球柵陣列(BGA)封裝被提供。

電壓模式死灰復燃

通過一些晶片供應商目錄一看發現，電壓模式控制調節器並沒有消失。這樣做的原因是，上一代器件的關鍵缺點已經解決通過使用一種叫做電壓前饋技術。電壓前饋是通過修改PWM斜坡波形的斜率與正比於輸入電壓的電壓來實現的。這提供了一個相應的和校正佔空比調製獨立反饋環路。該技術提高了電路響應線路和負載瞬變，同時消除敏感的輸入濾波器的存在。電壓前饋也穩定了環路增益，使得其不再與輸入電壓而變化。次要缺陷是一些附加的電路複雜性，因為一個傳感器，以檢測輸入電壓。工程師可以從主要供應商廣泛的電壓模式控制調節器來選擇。例如，Maxim提供在其投資組合包括MAX5073一些電壓模式控制設備。這個開關穩壓器是一種降壓/升壓2.2 MHz器件從5.5到23伏供電電壓，並產生0.8至28 V的輸出在降壓模式，穩壓器可提供高達2 A.同樣，Intersil公司提供的ISL9110A，一2.5 MHz的開關穩壓器具有電壓模式控制。該器件在1.85.5 V的輸入電壓範圍，並提供以高達1.2 A的95%的效率3.3 V的輸出。就其本身而言，國際整流器提供的IR3891，電壓模式控制降壓型穩壓器為1的寬輸入範圍為21 V和0.518.06 V的輸出範圍該晶片具有300千赫到1.5的開關頻率範圍兆赫，可以提供多達4個A的IR3891有兩個輸出。

技術的選擇

幾乎所有的開關電壓穩壓器採用PWM控制的開關元件。是無論是從一個控制電壓結合在時鐘頻率為電壓模式調節器的鋸齒波形運行(從中減去從基準電壓的輸出電壓得到)產生，或通過添加一個第二環路反饋電感電流的PWM信號對於當前模式的類型。通過諸如電壓前饋電壓控制設計和斜率補償電流模式單元使用技術現代設備已經基本上克服了舊的設計的主要缺點。這些創新的結果是，工程師有兩種類型的拓撲廣泛的選擇。電壓模式控制開關穩壓器時，建議寬輸入線和輸出負載變化是可能的，輕負載下(當電流模式控制斜坡斜率就太淺薄了穩定的PWM操作)，在嘈雜的應用程式(在噪聲從功率級會發現它的方式成電流模式控制反饋迴路)，並在需要具有良好的交叉調節多輸出電壓。電流模式控制設備推薦的應用中電源輸出大電流或非常高的電壓;最快的動態響應是需要在一個特定頻率，輸入電壓的變化受到限制，並且在應用中的組件的成本和數量必須被最小化。關於本文中討論的部件的更多信息，請提供給訪問該向Digi-Key網站的產品信息頁面的連結。