- 簡要介紹這些不同類型的降壓轉換器的特征
- 展示每種類型最適合的應用要求
降壓電源轉換器自 20 世紀 60 年代開始應用于電子元件，自那以后，人們開發(fā)出了眾多基于降壓電源轉換原理的型號。 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)和動態(tài)響應要求。
此高密謀意味著，對于需要指定電源 IC 但又非電源專家的設計工程師來說，這是件令人頭痛的事，因為他需要評估數(shù)千件具有不同特征的部件，從而找出最適合其應用的部件。
本文旨在簡要介紹這些不同類型的降壓轉換器的特征，并展示每種類型最適合的應用要求，從而簡化這一過程。
簡介
在降壓轉換器中，電源階段包括開關（通常為 MOSFET）、續(xù)流二極管或第二個 MOSFET、電感器和輸出電容器，如圖 1 所示。 其工作原理非常簡單。 在時間 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。 在導通時間結束時，MOSFET 關閉，電流繼續(xù)流過二極管，并且以與 -Vout 成正例的斜率減小（參見圖2）。在經過充足的循環(huán)次數(shù)后，達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時輸出電壓(Vout) 理論上的表達式為：
占空比是指開關導通時間（活動時間）與變換頻率的整個期間 T 之間的比率。 然而，上述等式僅在設備不產生損耗的理想情況下才成立。 真實情況比較復雜，實際性能不僅受損耗的影響，而且還受溫度和時間變化的影響。
因此，在基本電源拓撲結構的頂部，降壓轉換器需要一個可管理占空比的控制系統(tǒng)，才能獲得靜態(tài)和動態(tài)性能屬性，例如輸出電壓準確度、瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。有三種控制降壓轉換器的基本方法：電壓模式、電流模式和滯環(huán)模式。 每個控制流程的簡要說明。
電壓模式轉換器控制
電壓模式控制是一種最易理解同時也是應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，并且其中的一小部分與參考值一起饋輸送至運算放大器；放大器（稱為錯誤放大器）的輸出與實際輸出電壓和所需輸出電壓之間的差值相關聯(lián)。 然后，過濾的錯誤在整個固定頻率鋸齒形斜坡上比較，從而設定控制器的頻率。 時鐘信號啟動循環(huán)，并且 MOSFET 打開。當斜坡信號開始大于錯誤信號時，插銷會重置，并且 MOSFET 關閉。 錯誤越大，比較器輸出打開的時間越長。
考慮采用電壓模式控制降壓轉換器的設計工程師看重此類設備能夠使用各種占空比，并且對噪音不太敏感。另一方面，由于控制器僅能了解對輸出電壓的瞬態(tài)影響 -不能感應瞬態(tài)電流自身，因此瞬態(tài)響應不太理想。 事實上，通常會實施輸入電壓前饋，從而對線路電壓變化進行校正。
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電壓模式控制的最新產品示例包括美國國家半導體制造的LM2267x Simple Switcher® 系列以及 Micrel 制造的 MIC472x和 MIC468x 系列。 這些部件包括內部補償，因此可在各種應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，是因為轉換器輸出由所選的開關峰值電流控制。時鐘信號觸發(fā)導通時間和電感器電流升高；測量開關電流（在導通期間等于電感器電流）并與參考值比較；最終，開關電流達到參考值的水平，此時開關關閉，關閉的時間為變換期間的剩余時間。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換器變量。
控制輸入通常由第二個反饋環(huán)路（用于控制轉換器輸出）設定；輸出電壓受到感應，并且與在電壓模式控制中一樣，具有補償網絡的錯誤放大器生成輸入控制信號。此控制設計的效果是系統(tǒng)得到簡化，通常會形成更廣、更強大的控制帶寬。 結果，它使用的補償網絡比電壓模式控制方案中要求的補償網絡更加簡單。電流模式轉換器的一個缺點是它們對感應電流信號中的噪音比較敏感：在低占空比的情況下操作時，容易受打開時產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。在基本滯環(huán)控制器中，輸出電壓受到感應，并且其中的一小部分饋送給滯環(huán)比較器：當感應電壓進一步降至參考值以下且大于滯環(huán)值時，設定比較器并且開關開啟。
一旦輸出電壓高于目標電壓和磁滯之和，重置比較器并關閉開關。這是最簡單的控制模式：它不需要反饋補償，因此可提供最快的瞬態(tài)響應，并且所需的組件數(shù)量較少。 缺點是轉換頻率變化不定（取決于負載和電壓源條件）；在某些應用中，輸出電壓紋波的固有級別是不可接受的，例如，盡管Micrel 在其 HyperLight Load 設備中實施了非常快速的管制環(huán)路，以便最小化輸出電壓紋波，但仍有可能達不到要求。
衍生產品和實際實施
每種基本控制模式都有自身的優(yōu)點和缺點，以及自身的操作方式。 為了盡可能消除缺點或為了提供某些特定應用所需的額外益處，轉換器制造商已開發(fā)出了這三種基本控制器類型的衍生型號。例如，某些應用要求變換頻率設定在相當窄的范圍內以避免某些敏感頻率；這通常會排除滯環(huán)模式控制器的使用，因為它的變換頻率變化不定。 但有一種解決方案：恒定導通時間 (COT) 轉換器。
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在這種控制器中，導通時間與輸入電壓成反比，但對于給定的輸入電壓，不論負載電流如何，它都是固定的。 這樣，變換頻率可在輸入電壓范圍內保持相對穩(wěn)定。
美國國家半導體推出了 COT 控制器的增強版本：仿真紋波模式 (ERM) 控制器。 這些設備采用特殊設計，不用再像普通 COT 控制器那樣依賴輸出電容器阻抗來實現(xiàn)穩(wěn)定性。 ERM 調壓設備的示例包括美國國家半導體推出的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是對電流測量電路中的噪聲太敏感：這會妨礙低占空比應用。 為克服這一問題，美國國家半導體已開發(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，而不是測量的。
ECM 控制器的主要應用是從高輸入電壓轉換到低輸出電壓，同時在窄占空比的情況下操作。 ECM 調壓裝置的示例包括 LM557x 系列。
識別正確的轉換器類型
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，但對于某些應用要求，需要混合使用多種類型的控制器才能合理地解決。 圖 3 提供了旨在簡化一個或多個轉換器類型選擇過程的決策樹。 表 1 還顯示了目前市場上用于實施各種控制方案的主要產品。應該說，盡管衍生類型并不需要特別適用于某一應用場合：專家設計人員可能依賴基本控制設備提供的選擇自由度來實現(xiàn)特定所需的性能，這可能是其中一種衍生產品無法實現(xiàn)的。
