電流模式控制在開關穩壓器中扮演要角

作者 : Frederik Dostal,ADI電源管理專家

本文介紹在開關穩壓器產品手冊中常見的重要特性之一:「電流模式」,並介紹該模式的優缺點...

市場上有數千款不同的開關穩壓器。用戶基於不同的參數選擇所需的類型,例如輸入電壓範圍、輸出電壓範圍、最大輸出電流,以及許多其他參數。本文介紹在開關穩壓器產品手冊中常見的重要特性之一:「電流模式」,並介紹該模式的優缺點。

電流模式穩壓器解析

1顯示電流模式穩壓器的基本工作原理。這裡,不止將反饋電壓與內部基準電壓進行比較,還將其與產生電源切換所需PWM訊號所用的鋸齒形電壓斜坡進行比較。在電壓模式穩壓器中,該斜坡的斜率是固定的。在電流模式穩壓器中,斜率取決於電感電流,由1所示的切換節點的電流測量值計算得出。電流模式穩壓器和電壓模式穩壓器的區別就在於此。電流模式穩壓器具有多項優勢。首先是電感電流會隨著輸入電壓(1中的VIN)的變化即刻調整。因此,輸入電壓變化資訊會直接反饋給控制迴路,甚至在輸出電壓(1中的VOUT)追蹤檢測到輸入電壓的如此變化之前。

Figure 1. The basic working principle of a current-mode regulator.

1:電流模式穩壓器的基本工作原理。

電流模式控制技術的優勢如此明顯,因而市場上大部分開關穩壓器IC都採用這種電流模式控制工作原理。

另一個關鍵優勢是經過簡化的控制迴路補償。電壓模式穩壓器的波特圖顯示了一個雙極點;與之相比,電流模式穩壓器僅在功率級中產生一個單極點,並產生90°相移,而非雙極點的180°相移。因此,對電流模式穩壓器進行補償會更容易,其也更加穩定。2顯示典型電流模式穩壓器的功率級簡單轉換函數。

Figure 2. A simplified control loop compensation through current-mode control shown in a Bode plot with just one simple pole in the power stage.

2:透過電流模式控制實現的簡化控制迴路補償,採用波特圖顯示,功率級中僅有一個單極點。

但是,除了提到的優點以外,該穩壓器也有缺點。在進行開關轉換之後,電流模式穩壓器無法立刻進行所需的電流測量,因為如果在此時進行測量,測量結果中會包含大量雜訊。需要等待幾nS,等開關引起的雜訊減弱。這段時間被稱為消隱時間。這通常導致其最短導通時間略長於電壓模式穩壓器的最短導通時間。電流模式穩壓器的另一個缺點是其可能產生次諧波振盪,如3所示。

如果所需的操作週期大於50%,電流模式穩壓器可能交互執行短脈衝和長脈衝。在許多應用中這被認為是不穩定而需要避免。為了避免此種不穩定性,可以向1所示的產生的電流斜坡增加一定的斜坡補償。如此便可以將關鍵操作週期閾值調節到遠高於50%,保證在更高操作週期下,也不會發生次諧波振盪。

Figure 3. A switch node voltage: a subharmonic oscillation with a current-mode regulator.

3:切換節點電壓:採用電流模式穩壓器的次諧波振盪。

即使是之前提到的這些限制(由消隱時間和其導致的操作週期限制導致),也可以透過IC設計進行規避。例如,一種補救方法是採用低側電流感測,在關斷期間,而非在導通期間測量電感電流。

結語

總而言之,在大部份應用中,電流模式開關穩壓器的優點要大於其缺點。而且可透過各種電路創新和改善來規避其缺點,因此目前大部份開關穩壓器IC均使用電流模式控制。

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