開關(guān)模式電源的建模和環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計
為了簡化和自動化開關(guān)模式電源設(shè)計，凌力爾特開發(fā)了 LTpowerCAD 設(shè)計工具。這工具使環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計任務(wù)變得簡單多了。LTpowerCAD 是一款可在 www.linear.com.cn/LTpowerCAD 免費(fèi)下載的設(shè)計工具。該軟件幫助用戶選擇電源解決方案、設(shè)計功率級組件以及優(yōu)化電源效率和環(huán)路補(bǔ)償。如圖 15 例子所示，就給定的凌力爾特電壓模式控制器而言 (例如 LTC3861)，其環(huán)路參數(shù)可用該設(shè)計工具建模。對于一個給定的功率級，用戶可以確定極點和零點位置 (頻率)，然后按照該軟件的指導(dǎo)，帶入真實的 R/C 值，實時檢查總體環(huán)路增益和負(fù)載瞬態(tài)性能。之后，設(shè)計方案還可以輸出到一個 LTspice® 仿真電路上，進(jìn)行實時仿真。
(b) LTpowerCAD 環(huán)路補(bǔ)償和負(fù)載瞬態(tài)設(shè)計頁面
圖 15：LTpowerCAD 設(shè)計工具減輕了電壓模式轉(zhuǎn)換器 III 型環(huán)路設(shè)計的負(fù)擔(dān)
(從 www.linear.com.cn/LTpowerCAD 免費(fèi)下載)
為電流模式控制增加電流環(huán)路
單一環(huán)路電壓模式控制受到一些限制。這種模式需要相當(dāng)復(fù)雜的 III 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。環(huán)路性能可能隨輸出電容器參數(shù)及寄生性變化而出現(xiàn)大幅改化，尤其是電容器 ESR 和 PCB 走線阻抗。一個可靠的電源還需要快速過流保護(hù)，這就需要一種快速電流檢測方法和快速保護(hù)比較器。對于需要很多相位并聯(lián)的大電流解決方案而言，還需要一個額外的電流均分網(wǎng)絡(luò) / 環(huán)路。
給電壓模式轉(zhuǎn)換器增加一個內(nèi)部電流檢測通路和反饋環(huán)路，使其變成一個電流模式控制的轉(zhuǎn)換器。圖 16 和 17 顯示了典型峰值電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器及其工作方式。內(nèi)部時鐘接通頂端的控制 FET。之后，只要所檢測的峰值電感器電流信號達(dá)到放大器 ITH 引腳電壓 VC，頂端的 FET 就斷開。從概念上來看，電流環(huán)路使電感器成為一個受控電流源。因此，具閉合電流環(huán)路的功率級變成了 1 階系統(tǒng)，而不是具 L/C 諧振的 2 階系統(tǒng)。結(jié)果，功率級極點引起的相位滯后從 180° 減少為約 90°。相位延遲減少使補(bǔ)償外部電壓環(huán)路變得容易多了。相位延遲減少還降低了電源對輸出電容器或電感變化的敏感度，如圖 18 所示。
圖 16：具內(nèi)部電流環(huán)路和外部電壓反饋環(huán)路的電流模式轉(zhuǎn)換器方框圖
圖 17：峰值電流模式控制信號波形
圖 18：具閉合電流環(huán)路的新功率級轉(zhuǎn)移函數(shù) GCV(s)
電感器電流信號可以直接用一個附加的 RSENSE 檢測，或者間接地通過電感器繞組 DCR 或 FET RDS(ON) 檢測。電流模式控制還提供其他幾項重要的好處。如圖 17 所示，既然電感器電流以逐周期方式、通過放大器輸出電壓檢測和限制，那么系統(tǒng)在過載或電感器電流飽和時，就能夠更準(zhǔn)確和更快速地限制電流。在加電或輸入電壓瞬態(tài)時，電感器浪涌電流也受到了嚴(yán)格控制。當(dāng)多個轉(zhuǎn)換器 / 相位并聯(lián)時，通過將放大器 ITH 引腳連到一起，憑借電流模式控制，可以在多個電源之間非常容易地均分電流，從而實現(xiàn)了一個可靠的多項 (PolyPhase®) 設(shè)計。典型電流模式控制器包括凌力爾特公司的 LTC3851A、LTC3833 和 LTC3855 等。
峰值與谷值電流模式控制方法
圖 16 和 17 所示的電流模式控制方法是峰值電感器電流模式控制。轉(zhuǎn)換器以固定開關(guān)頻率 fSW 工作，從而非常容易實現(xiàn)時鐘同步和相位交錯，尤其是對于并聯(lián)轉(zhuǎn)換器。然而，如果在控制 FET 柵極關(guān)斷后，緊接著就發(fā)生負(fù)載升壓瞬態(tài)，那么轉(zhuǎn)換器就必須等待一段時間，這段時間等于 FET 斷開時間 TOFF，直到下一個時鐘周期響應(yīng)該瞬態(tài)為止。這個 TOFF 延遲通常不是問題，但是對于一個真正的快速瞬態(tài)系統(tǒng)，它卻很重要。此外，控制 FET 的最短接通時間 (TON_min) 不可能非常短，因為電流比較器需要噪聲消隱時間以避免錯誤觸發(fā)。對于高 VIN/VOUT 降壓比應(yīng)用而言，這限制了最高開關(guān)頻率 fSW。此外，峰值電流模式控制還需要一定的斜率補(bǔ)償，以在占空比超過 50% 時保持電流環(huán)路穩(wěn)定。對于凌力爾特公司的控制器而言，這不是個問題。凌力爾特的控制器通常有內(nèi)置自適應(yīng)斜率補(bǔ)償，以在整個占空比范圍內(nèi)確保電流環(huán)路穩(wěn)定性。LTC3851A 和 LTC3855 是典型的峰值電流模式控制器。
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