資料介紹
每一位電源工程師都熟知并學習過電壓模式和電流模式控制這些傳統的控制拓撲,但卻不太了解基于遲滯的拓撲及其優勢。雖然純遲滯控制對于諸如醫療或工業自動化等特定應用可能并不實用,然而許多比較新的電源拓撲都是基于遲滯的,并且擁有旨在克服純遲滯控制的缺陷的額外特性。此類拓撲被運用于從處理器內核供電到汽車系統等廣泛領域。
幾乎所有的電源均是專為提供一個穩定的輸出電壓或電流而設計的。提供這種輸出調節功能需要一個閉環系統和即將被調節的輸出電壓或電流的反饋。盡管有很多種用于對可用反饋環路進行補償的不同控制拓撲,但它們通常都可以被歸為兩類:脈寬調制 (PWM) 或遲滯。在這兩種基本拓撲的基礎上演變出了第三種拓撲,其為此二者的融合:基于遲滯的拓撲。針對不同的應用,這些控制拓撲各有優缺點。
電壓模式控制
脈寬調制 (PWM) 控制被歸為兩種基本類型:電壓模式和電流模式。為簡單起見,本文只討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控制。有關電壓模式與電流模式更為詳細的比較,請見參考文獻 1。圖 1 示出了降壓轉換器中電壓模式控制的基本方框圖 2。
圖 1:電壓模式控制包括了誤差放大器、時鐘和內部基準電壓 (VREF)
當采用電壓模式控制來調節輸出電壓時,它通過一個連接至其反饋 (FB) 輸入的阻性分壓器來檢測輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨后將該FB信號與一個高準確度內部基準電壓進行比較。圍繞誤差放大器的環路補償電路負責保持系統的穩定。
電壓模式控制擁有諸多的優勢。通過僅調節輸出電壓和其他良好受控的內部信號(比如:時鐘和內部基準電壓),該拓撲具備非常強的抗噪聲能力。而且它還相當地簡單明了。利用輸入電壓前饋保持了簡單性,以在不斷變化的輸入電壓條件下維持恒定的環路增益。此外,輸入電壓前饋還可大幅改善針對線路電壓瞬變的響應。最后,時鐘實現了開關頻率的控制,包括使電路同步至一個外部時鐘源的可能性。
電壓模式控制的主要劣勢是必需的環路補償及對應的環路帶寬限制。就其本質而言,電壓模式控制在功率級中引入了一個雙極點,該雙極點位于輸出濾波器的轉折頻率,因而需要在誤差放大器的周圍布設兩個正確定位的零點。由于該雙極點的頻率通常很低,因而環路帶寬被限制在較低的水平。一般情況下,其被限制為不超過開關頻率的 1/10。這對電源的瞬態響應產生了顯著的負面影響。因此,設計人員必須通過增加輸出電容來獲得更好的瞬態結果,從而導致系統成本升高。
幾乎所有的電源均是專為提供一個穩定的輸出電壓或電流而設計的。提供這種輸出調節功能需要一個閉環系統和即將被調節的輸出電壓或電流的反饋。盡管有很多種用于對可用反饋環路進行補償的不同控制拓撲,但它們通常都可以被歸為兩類:脈寬調制 (PWM) 或遲滯。在這兩種基本拓撲的基礎上演變出了第三種拓撲,其為此二者的融合:基于遲滯的拓撲。針對不同的應用,這些控制拓撲各有優缺點。
電壓模式控制
脈寬調制 (PWM) 控制被歸為兩種基本類型:電壓模式和電流模式。為簡單起見,本文只討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控制。有關電壓模式與電流模式更為詳細的比較,請見參考文獻 1。圖 1 示出了降壓轉換器中電壓模式控制的基本方框圖 2。
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當采用電壓模式控制來調節輸出電壓時,它通過一個連接至其反饋 (FB) 輸入的阻性分壓器來檢測輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨后將該FB信號與一個高準確度內部基準電壓進行比較。圍繞誤差放大器的環路補償電路負責保持系統的穩定。
電壓模式控制擁有諸多的優勢。通過僅調節輸出電壓和其他良好受控的內部信號(比如:時鐘和內部基準電壓),該拓撲具備非常強的抗噪聲能力。而且它還相當地簡單明了。利用輸入電壓前饋保持了簡單性,以在不斷變化的輸入電壓條件下維持恒定的環路增益。此外,輸入電壓前饋還可大幅改善針對線路電壓瞬變的響應。最后,時鐘實現了開關頻率的控制,包括使電路同步至一個外部時鐘源的可能性。
電壓模式控制的主要劣勢是必需的環路補償及對應的環路帶寬限制。就其本質而言,電壓模式控制在功率級中引入了一個雙極點,該雙極點位于輸出濾波器的轉折頻率,因而需要在誤差放大器的周圍布設兩個正確定位的零點。由于該雙極點的頻率通常很低,因而環路帶寬被限制在較低的水平。一般情況下,其被限制為不超過開關頻率的 1/10。這對電源的瞬態響應產生了顯著的負面影響。因此,設計人員必須通過增加輸出電容來獲得更好的瞬態結果,從而導致系統成本升高。
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