適用于高輸入輸出電壓差的降壓穩(wěn)壓器電路拓?fù)?/h1>

發(fā)布時間:2008/5/26 0:00:00 訪問次數(shù):1620

        

    

    

    降壓穩(wěn)壓器可以有效地將未經(jīng)穩(wěn)壓的高輸入電壓步降為穩(wěn)定的輸出電壓。在輸入電壓較高的直流變換應(yīng)用中，降壓穩(wěn)壓器相對于線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率要高得多。但是，在要求高輸入輸出降壓比的應(yīng)用中，使用降壓穩(wěn)壓器對脈寬調(diào)制(pwm)控制器會提出更高的要求。因為降壓穩(wěn)壓器開關(guān)的占空比大致等于輸入輸出電壓比(vout/vin)，具有高輸入輸出電壓比的降壓直流變換器必須控制非常窄的pwm脈沖。

    為了減小電感和電容的尺寸，降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率通常會設(shè)置得很高。高開關(guān)頻率和低占空比意味著控制器的脈沖寬度會非常小。例如，一個輸入、輸出電壓分別為66v和3.3v的降壓穩(wěn)壓器，降壓開關(guān)占空比大約為5％。在典型的300khz開關(guān)頻率下，降壓開關(guān)的pwm脈沖寬度僅僅為166ns。

    

    

    圖1：使用電流模式控制的降壓穩(wěn)壓器。

    降壓穩(wěn)壓器的控制方式或電路拓?fù)浒妷耗Ｊ?vm)控制方式、電流模式(cm)控制方式、遲滯控制方式和恒定導(dǎo)通時間(cot)控制方式。由于電流模式控制方式可以很容易地實現(xiàn)環(huán)路補(bǔ)償、fet開關(guān)保護(hù)以及固有前饋補(bǔ)償，因此深受電源設(shè)計者歡迎。

    遲滯控制器和恒定導(dǎo)通時間控制器對負(fù)載瞬態(tài)變化的響應(yīng)更迅速，但是它們工作的開關(guān)頻率不恒定。恒定導(dǎo)通時間控制是一種變化了的遲滯控制，它減少了開關(guān)頻率的變化，提高了穩(wěn)定性。

    電流模式控制

    專為高輸入輸出電壓步降比設(shè)計的降壓穩(wěn)壓器芯片，在非常窄的占空比工作條件下，必須具備強(qiáng)大的抗干擾性能。在電流模式電路拓?fù)渲校魬?zhàn)在于電感電流的測量和調(diào)節(jié)。圖1給出了電流模式降壓穩(wěn)壓器的框圖。通過監(jiān)控輸出電壓，并與參考電壓比較，從而產(chǎn)生一個誤差信號并輸出到pwm比較器。調(diào)制斜坡信號與降壓開關(guān)電流的大小成比例。當(dāng)降壓開關(guān)導(dǎo)通時，電感電流將通過，其電流斜率為(vin－vout)/l。對降壓開關(guān)電流進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量是產(chǎn)生pwm斜坡信號的必要條件。

    傳輸延時和開關(guān)的瞬態(tài)變化使得電流模式控制在導(dǎo)通時間很短的高轉(zhuǎn)換比應(yīng)用中變得困難。即使在最優(yōu)秀的設(shè)計實踐中，電流檢測和電平移位電路都會帶來明顯的傳輸延時。此外，當(dāng)降壓開關(guān)導(dǎo)通時，流入高速二極管(d1)中的反向恢復(fù)電流將產(chǎn)生自振周期延長的前緣電流尖峰(見圖2)。該尖峰將造成pwm比較器的誤判。濾除這個前緣尖峰將會減小降壓開關(guān)的最小可控導(dǎo)通時間。

    

    

    

    圖2：模擬電流模式穩(wěn)壓器。

    模擬電流模式控制

    為了實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地測量電流所面臨的挑戰(zhàn)難題可以由一種新型專利方法解決，這種方法可以模擬出降壓開關(guān)電流而無需實際測量該電流。降壓開關(guān)電流波形可以分解為兩部分，基波和斜坡�；ù黼姼须娏鞯淖钚≈�(波谷)。電感電流的最小值剛好在降壓開關(guān)導(dǎo)通前得到。通過在降壓開關(guān)導(dǎo)通前對高速二極管電流進(jìn)行采樣保持，就可以獲得基波電流信息。

    降壓開關(guān)電流波形的另一部分是到波峰的正斜坡。斜坡電流的斜率為di/dt=(vin－vout)/l。與這個斜坡電流等價的信號可以由一個與vin－vout成比例的電流源和一個電容(cramp)生成。如果電流源(iramp)受輸入輸出電壓差的控制，電容的充電斜率即為dv/dt=k×(vin－vout)/cramp，其中k是電流源比例常數(shù)。cramp值的選取應(yīng)使得電容電壓的上升斜率與電感電流的上升斜率成比例。

    圖2給出了集成降壓穩(wěn)壓器lm25005的框圖，該穩(wěn)壓器應(yīng)用了上述模擬電流模式控制方案。高速二極管的陽極通過控制器接地。使用一個低阻值的電流檢測電阻和一個放大器測量二極管電流。由一個采樣保持電路獲得降壓開關(guān)導(dǎo)通前二極管電流的最小值。通過對波谷電流的采樣，就可以在每個周期得到模擬電流檢測信號的基波成份。

    

    

    

    圖3：lm25005降壓穩(wěn)壓器原理圖。

    lm25005檢測輸入和輸出電壓，從而產(chǎn)生一個對外部斜坡電容(cramp)充電的電流源。當(dāng)降壓開關(guān)導(dǎo)通時，在每個周期內(nèi)電容電壓都線性上升。當(dāng)降壓開關(guān)關(guān)閉時，電容放電。為了正常工作，電容的大小應(yīng)該與降壓電感的大小成比例。lm25005將采樣電流基波和外置斜坡

        

    

    

    降壓穩(wěn)壓器可以有效地將未經(jīng)穩(wěn)壓的高輸入電壓步降為穩(wěn)定的輸出電壓。在輸入電壓較高的直流變換應(yīng)用中，降壓穩(wěn)壓器相對于線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率要高得多。但是，在要求高輸入輸出降壓比的應(yīng)用中，使用降壓穩(wěn)壓器對脈寬調(diào)制(pwm)控制器會提出更高的要求。因為降壓穩(wěn)壓器開關(guān)的占空比大致等于輸入輸出電壓比(vout/vin)，具有高輸入輸出電壓比的降壓直流變換器必須控制非常窄的pwm脈沖。

    為了減小電感和電容的尺寸，降壓穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率通常會設(shè)置得很高。高開關(guān)頻率和低占空比意味著控制器的脈沖寬度會非常小。例如，一個輸入、輸出電壓分別為66v和3.3v的降壓穩(wěn)壓器，降壓開關(guān)占空比大約為5％。在典型的300khz開關(guān)頻率下，降壓開關(guān)的pwm脈沖寬度僅僅為166ns。

    

    

    圖1：使用電流模式控制的降壓穩(wěn)壓器。

    降壓穩(wěn)壓器的控制方式或電路拓?fù)浒妷耗Ｊ?vm)控制方式、電流模式(cm)控制方式、遲滯控制方式和恒定導(dǎo)通時間(cot)控制方式。由于電流模式控制方式可以很容易地實現(xiàn)環(huán)路補(bǔ)償、fet開關(guān)保護(hù)以及固有前饋補(bǔ)償，因此深受電源設(shè)計者歡迎。

    遲滯控制器和恒定導(dǎo)通時間控制器對負(fù)載瞬態(tài)變化的響應(yīng)更迅速，但是它們工作的開關(guān)頻率不恒定。恒定導(dǎo)通時間控制是一種變化了的遲滯控制，它減少了開關(guān)頻率的變化，提高了穩(wěn)定性。

    電流模式控制

    專為高輸入輸出電壓步降比設(shè)計的降壓穩(wěn)壓器芯片，在非常窄的占空比工作條件下，必須具備強(qiáng)大的抗干擾性能。在電流模式電路拓?fù)渲�，挑�?zhàn)在于電感電流的測量和調(diào)節(jié)。圖1給出了電流模式降壓穩(wěn)壓器的框圖。通過監(jiān)控輸出電壓，并與參考電壓比較，從而產(chǎn)生一個誤差信號并輸出到pwm比較器。調(diào)制斜坡信號與降壓開關(guān)電流的大小成比例。當(dāng)降壓開關(guān)導(dǎo)通時，電感電流將通過，其電流斜率為(vin－vout)/l。對降壓開關(guān)電流進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量是產(chǎn)生pwm斜坡信號的必要條件。

    傳輸延時和開關(guān)的瞬態(tài)變化使得電流模式控制在導(dǎo)通時間很短的高轉(zhuǎn)換比應(yīng)用中變得困難。即使在最優(yōu)秀的設(shè)計實踐中，電流檢測和電平移位電路都會帶來明顯的傳輸延時。此外，當(dāng)降壓開關(guān)導(dǎo)通時，流入高速二極管(d1)中的反向恢復(fù)電流將產(chǎn)生自振周期延長的前緣電流尖峰(見圖2)。該尖峰將造成pwm比較器的誤判。濾除這個前緣尖峰將會減小降壓開關(guān)的最小可控導(dǎo)通時間。

    

    

    

    圖2：模擬電流模式穩(wěn)壓器。

    模擬電流模式控制

    為了實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地測量電流所面臨的挑戰(zhàn)難題可以由一種新型專利方法解決，這種方法可以模擬出降壓開關(guān)電流而無需實際測量該電流。降壓開關(guān)電流波形可以分解為兩部分，基波和斜坡�；ù黼姼须娏鞯淖钚≈�(波谷)。電感電流的最小值剛好在降壓開關(guān)導(dǎo)通前得到。通過在降壓開關(guān)導(dǎo)通前對高速二極管電流進(jìn)行采樣保持，就可以獲得基波電流信息。

    降壓開關(guān)電流波形的另一部分是到波峰的正斜坡。斜坡電流的斜率為di/dt=(vin－vout)/l。與這個斜坡電流等價的信號可以由一個與vin－vout成比例的電流源和一個電容(cramp)生成。如果電流源(iramp)受輸入輸出電壓差的控制，電容的充電斜率即為dv/dt=k×(vin－vout)/cramp，其中k是電流源比例常數(shù)。cramp值的選取應(yīng)使得電容電壓的上升斜率與電感電流的上升斜率成比例。

    圖2給出了集成降壓穩(wěn)壓器lm25005的框圖，該穩(wěn)壓器應(yīng)用了上述模擬電流模式控制方案。高速二極管的陽極通過控制器接地。使用一個低阻值的電流檢測電阻和一個放大器測量二極管電流。由一個采樣保持電路獲得降壓開關(guān)導(dǎo)通前二極管電流的最小值。通過對波谷電流的采樣，就可以在每個周期得到模擬電流檢測信號的基波成份。

    

    

    

    圖3：lm25005降壓穩(wěn)壓器原理圖。

    lm25005檢測輸入和輸出電壓，從而產(chǎn)生一個對外部斜坡電容(cramp)充電的電流源。當(dāng)降壓開關(guān)導(dǎo)通時，在每個周期內(nèi)電容電壓都線性上升。當(dāng)降壓開關(guān)關(guān)閉時，電容放電。為了正常工作，電容的大小應(yīng)該與降壓電感的大小成比例。lm25005將采樣電流基波和外置斜坡

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