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為何在開關(guān)穩(wěn)壓器中,電流模式控制非常重要?

發(fā)布時間:2023-02-01 來源:來源:ADI公司,作者:Frederik Dostal 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】市場上有數(shù)千款不同的開關(guān)穩(wěn)壓器,用戶會基于不同的參數(shù)選擇所需的類型,例如輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、最大輸出電流,以及許多其他參數(shù)。本文ADI將針對電流模式進(jìn)行介紹,這是數(shù)據(jù)手冊中常見的一項重要特性,同時還會分析此模式的優(yōu)缺點(diǎn)。


市場上有數(shù)千款不同的開關(guān)穩(wěn)壓器,用戶會基于不同的參數(shù)選擇所需的類型,例如輸入電壓范圍、輸出電壓范圍、最大輸出電流,以及許多其他參數(shù)。本文ADI將針對電流模式進(jìn)行介紹,這是數(shù)據(jù)手冊中常見的一項重要特性,同時還會分析此模式的優(yōu)缺點(diǎn)。


為何在開關(guān)穩(wěn)壓器中,電流模式控制非常重要?

圖1.電流模式穩(wěn)壓器的基本工作原理


電流模式穩(wěn)壓器解析


圖1顯示電流模式穩(wěn)壓器的基本工作原理。這里,不止將反饋電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,還將其與生成電源開關(guān)所需的PWM信號所用的鋸齒形電壓斜坡進(jìn)行比較。在電壓模式穩(wěn)壓器中,該斜坡的斜率是固定的。在電流模式穩(wěn)壓器中,斜率取決于電感電流,由圖1所示的開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電流測量值計算得出。電流模式穩(wěn)壓器和電壓模式穩(wěn)壓器的區(qū)別就在于此。電流模式穩(wěn)壓器具有多項優(yōu)勢。首先是電感電流會隨著輸入電壓(圖1中的VIN)的變化即刻調(diào)整。因此,輸入電壓變化信息會直接反饋給控制環(huán)路,甚至在輸出電壓(圖1中的VOUT)跟蹤檢測到輸入電壓的這種變化之前。


電流模式控制技術(shù)的優(yōu)勢如此明顯,因而市場上大部分開關(guān)穩(wěn)壓器IC都采用這種電流模式控制工作原理。


為何在開關(guān)穩(wěn)壓器中,電流模式控制非常重要?

圖2.通過電流模式控制實現(xiàn)的簡化控制環(huán)路補(bǔ)償,采用波特圖顯示,功率級中僅有一個單極點(diǎn)。


另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是經(jīng)過簡化的控制環(huán)路補(bǔ)償。電壓模式穩(wěn)壓器的波特圖顯示了一個雙極點(diǎn);與之相比,電流模式穩(wěn)壓器僅在功率級中生成一個單極點(diǎn),產(chǎn)生90°相移,而非雙極點(diǎn)的180°相移。因此,對電流模式穩(wěn)壓器進(jìn)行補(bǔ)償會更容易,它也更加穩(wěn)定。圖2顯示了典型的電流模式穩(wěn)壓器的功率級的簡單轉(zhuǎn)換函數(shù)。


為何在開關(guān)穩(wěn)壓器中,電流模式控制非常重要?

圖3.開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓:采用電流模式穩(wěn)壓器的次諧波振蕩


但是,除了提到的優(yōu)點(diǎn)以外,該穩(wěn)壓器也有缺點(diǎn)。在進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換之后,電流模式穩(wěn)壓器無法立刻實施所需的電流測量,因為如果在此時進(jìn)行測量,測量結(jié)果中會包含大量噪聲。需要等待幾nS,等開關(guān)引起的噪聲減弱。這段時間被稱為消隱時間。這通常導(dǎo)致其最短導(dǎo)通時間略長于電壓模式穩(wěn)壓器的最短導(dǎo)通時間。電流模式穩(wěn)壓器的另一個缺點(diǎn)是其可能產(chǎn)生次諧波振蕩。如圖3所示。如果所需的占空比大于50%,電流模式穩(wěn)壓器可能交替執(zhí)行短脈沖和長脈沖。在許多應(yīng)用中,這被認(rèn)為是不穩(wěn)定的,需要加以避免。在ADI看來,為了避免這種不穩(wěn)定性,可以向圖1所示的生成的電流斜坡添加一定的斜坡補(bǔ)償。這樣可以將關(guān)鍵占空比閾值調(diào)節(jié)到遠(yuǎn)高于50%,保證在更高占空比下,也不會發(fā)生次諧波振蕩。


即使是之前提到的這些限制(由消隱時間和其導(dǎo)致的占空比限制導(dǎo)致),也可以通過IC設(shè)計進(jìn)行規(guī)避。例如,一種補(bǔ)救方法是采用低端電流檢測,在關(guān)斷期間,而非在導(dǎo)通期間測量電感電流。


結(jié)論


總而言之,在大部分應(yīng)用中,電流模式開關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)要大于其缺點(diǎn)。而且可以通過各種電路創(chuàng)新和改進(jìn)來規(guī)避其缺點(diǎn)。所以如今大部分開關(guān)穩(wěn)壓器IC都使用電流模式控制。


關(guān)于ADI公司


Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司,致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁,以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案,推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展,應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn),并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元,全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶,ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

(來源:ADI公司,作者:Frederik Dostal,ADI公司電源管理專家)


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