三种电源控制拓扑的优劣

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每一位电源工程师都熟知并学习过电压模式和电流模式控制这些传统的控制拓扑，但却不太了解基于迟滞的拓扑及其优势。虽然纯迟滞控制对于诸如医疗或工业自动化等特定应用可能并不实用，然而许多比较新的电源拓扑都是基于迟滞的，并且拥有旨在克服纯迟滞控制的缺陷的额外特性。此类拓扑被运用于从处理器内核供电到汽车系统等广泛领域。
       
        几乎所有的电源均是专为提供一个稳定的输出电压或电流而设计的。提供这种输出调节功能需要一个闭环系统和即将被调节的输出电压或电流的反馈。尽管有很多种用于对可用反馈环路进行补偿的不同控制拓扑，但它们通常都可以被归为两类：脉宽调制（PWM）或迟滞。在这两种基本拓扑的基础上演变出了第三种拓扑，其为此二者的融合：基于迟滞的拓扑。针对不同的应用，这些控制拓扑各有优缺点。
       
        电压模式控制
       
        脉宽调制（PWM）控制被归为两种基本类型：电压模式和电流模式。为简单起见，本文只讨论采用输入电压前馈的电压模式控制。有关电压模式与电流模式更为详细的比较，图1示出了降压转换器中电压模式控制的基本方框图。
       
       
        图1：电压模式控制包括了误差放大器、时钟和内部基准电压（VREF）
       
        当采用电压模式控制来调节输出电压时，它通过一个连接至其反馈（FB）输入的阻性分压器来检测输出电压的缩小版。具有高增益的误差放大器随后将该FB信号与一个高准确度内部基准电压进行比较。围绕误差放大器的环路补偿电路负责保持系统的稳定。
       
        电压模式控制拥有诸多的优势。通过仅调节输出电压和其他良好受控的内部信号（比如：时钟和内部基准电压），该拓扑具备非常强的抗噪声能力。而且它还相当地简单明了。利用输入电压前馈保持了简单性，以在不断变化的输入电压条件下维持恒定的环路增益。此外，输入电压前馈还可大幅改善针对线路电压瞬变的响应。最后，时钟实现了开关频率的控制，包括使电路同步至一个外部时钟源的可能性。
       
        电压模式控制的主要劣势是必需的环路补偿及对应的环路带宽限制。就其本质而言，电压模式控制在功率级中引入了一个双极点，该双极点位于输出滤波器的转折频率，因而需要在误差放大器的周围布设两个正确定位的零点。由于该双极点的频率通常很低，因而环路带宽被限制在较低的水平。一般情况下，其被限制为不超过开关频率的1/10.这对电源的瞬态响应产生了显著的负面影响。因此，设计人员必须通过增加输出电容来获得更好的瞬态结果，从而导致系统成本升高。
       
        考虑到以上的利弊权衡，电压模式控制仍然是颇具价值的，尤其在那些对噪声敏感的应用中。电压模式控制的高噪声耐受性及其可同步至一个系统时钟的能力使其很适合于对噪声最为敏感的应用，例如：医疗和仪表设备等。
       
        迟滞控制
       
        纯粹和基本形式的迟滞控制是极其简单的，所有控制拓扑中最简单的一种（图2）。在其端子之间具有某些小迟滞的比较器通过FB输入将输出电压直接与高准确度的内部基准电压VREF进行比较。
       
       
        图2：简单的迟滞控制拓扑只需一个比较器和内部VREF
       
        这种直接控制输出电压的优势在于控制环路的速度。当输出电压由于瞬变的原因而发生变化时，控制环路开始做出反应所需的时间仅受限于比较器和栅极驱动器中的传播延迟。误差信号不必穿过低带宽误差放大器。因此，迟滞拓扑是速度最快的控制拓扑。
       
        此外，其工作原理的简单性还使其能在无需任何环路补偿的情况下保持固有的稳定性。而且这种简单性也使之成为一种低成本的拓扑。在电源中没有需要设计、构建和测试的振荡器或误差放大器。控制开关动作仅需一个基本的比较器即可。
       
        迟滞拓扑的主要缺陷是其开关频率变化。没有负责设定开关频率的时钟或同步信号。取而代之的是，开关频率由迟滞量以及外部组件和工作条件来设定。
       
        当采用纯迟滞转换器时，预计在输入电压和负载范围内将发生很大的频率变化。而且，如果不采用一个高增益误差放大器的话，所实现的输出电压的DC设定点有可能不如采用电压模式控制时那么精准。最后，迟滞控制需要利用输出电容器中的等效串联电阻（ESR）。因此，当运用纯迟滞拓扑时，一般不能使用ESR极小的陶瓷输出电容器。
       
        但是，在某些低功率、非常低成本的应用中（比如：玩具），由于此类终端设备的价位非常之低，而且其低功率在迟滞电源的宽开关频率范围内产生的电磁干扰（EMI）水平很低，因此迟滞转换器也许是可以接受的。另外，具有非常严酷之瞬变的系统需要采用迟滞或基于迟滞的拓扑来维持可接受的输出电压调节。假如这些系统的输入电压、输出电压和其他工作条件处于良好受控的状态，则开关频率被保持在一个可接受的范围之内。这使得迟滞控制成为那些依靠一个固定输入电压运作并产生一个固定输出电压的应用的有效选择。
        基于迟滞的控制
       
        许多控制拓扑从根本上说都是迟滞的，但其包含了其他旨在克服频率变化和其他纯迟滞拓扑局限性的电路。例如，它们包括D-CAP、D-CAP2、COT、具有ERM的COT和DCS-Control拓扑。本文仅分析和比较DCS-Control 4及相似器件。
       
        根本上说，DCS-Control（采用至节能模式的无缝转换的直接控制）是一种迟滞拓扑，但其融合了电压模式和电流模式的某些特性（图3）。和在电压模式控制中一样，迟滞比较器将一个误差放大器的输出与一个锯齿波形进行比较。
       
       
        图3：在基于迟滞的DCS-Control拓扑中，误差放大器和内部VREF与电压模式控制中的相同，而迟滞比较器则取自迟滞拓扑。导通定时器（on timer）是基于迟滞的拓扑所特有的
       
        该锯齿波并非产生自某个时钟，而是通过一个与输出电压直接相连的特殊电路产生在VOS输入引脚上。实质上，迟滞比较器仍然具有一个通过该VOS引脚至输出电压的直接连接，并接入了一个高增益误差放大器以提供非常优良的输出电压设定点准确度。
       
        除了将取自迟滞和电压模式拓扑的迟滞比较器与误差放大器加以组合之外，DCS-Control还运用了一种导通时间电路以控制开关频率。最后，内置了必需的环路补偿功能电路以实现稳定性。
       
        DCS-Control的主要优点是可保持迟滞转换器非常快的瞬态响应以及电压模式转换器的输出电压准确度，同时克服了这两种拓扑其他的关键缺陷，即：缓慢的响应时间、有限的控制环路带宽和频率变化。
       
        由于VOS引脚提供了输出电压的直接控制，因此输出电压的任何变化都将直接通过控制环路传播，而不会受到误差放大器带宽的限制。这将大大加快瞬态响应速度。
       
        就目前的DCS-Control实施方案而言，其主要缺点是无法同步至一个时钟。作为一种基于迟滞的拓扑，其并未提供时钟输入信号，而是提供了一个在各种工作条件下变化极小的受控开关频率。在某些场合中，该变化小于电压模式转换器的时钟频率容差。
       
        诸如DCS-Control等基于迟滞的拓扑其最佳的使用场合是那些会遭遇大的瞬变并需要极高输出电压准确度的应用。此类应用包括为嵌入式或计算系统中的处理器内核供电，以及工业自动化和汽车信息娱乐系统。
       
        结论
       
        对于不同的应用，“电压模式”、“迟滞”和“基于迟滞”等三种主要的电源控制拓扑各有优劣。虽然大多数电源工程师都习惯并乐于使用电压模式控制，但迟滞和基于迟滞的拓扑却能提供同类最佳的瞬态响应，而且应当就诸如处理器内核供电等需要这种快速响应速度的应用对其做深入探究。由于每种控制拓扑都有数量极为庞大的设备在使用，因此意味着对于几乎所有的应用而言都很可能有一种最优的电源解决方案。
       
        参考文献
       
        1. Robert Mammano，开关电源拓扑：电压模式与电流模式的比较，设计笔记（SLUA119），Unitrode，1994年
       
        2.采用2 x 2 SON封装的3 MHz 2A降压型转换器，数据表（SLVS833B），德州仪器，2013年11月
       
        3. LM3475迟滞PFET降压型控制器，数据表（SNVS239B），2013年3月。
       
        4. Chris Glaser，高效率、低纹波DCS-Control提供无缝的PWM /节能模式转换，模拟应用杂志（SLYT513），德州仪器，2013年第三季度

李小路

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