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線性穩壓器和開關模式電源的基本概念(Ⅱ)

2014年01月06日  | Henry J. Zhang

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恆定頻率與恆定導通時間控制的比較

“電壓模式控制與電流模式控制的比較”部分中的典型電壓模式和電流模式方案具有由控制器內部時脈生成的?定開關頻率。這些?定開關頻率控制器可以容易地實現同步,對於高電流的多相降壓控制器來說這是一項重要的特性。然而,如果負載升壓瞬變剛好在控制 FET Q1 關斷之後發生,則轉換器必須等待整個 Q1 關斷時間直到下一個週期開始以響應暫態。在具有小工作週期的應用中,最壞情況延遲接近一個開關週期。


在此類低工作週期應用中,?定導通時間穀值電流模式控制具有較短的延遲以回應負載升壓瞬變。在穩態操作中,?定導通時間降壓轉換器的開關頻率幾乎是固定的。假如遭遇暫態,則開關頻率能夠快速改變以加快暫態回應。因此,電源擁有了改善的暫態性能,而且可以減小輸出電容並降低其相關成本。


然而,在採用?定導通時間控制時,開關頻率有可能隨電壓或負載而改變。LTC3833 是一款具有更精細的受控導通時間架構的穀值電流模式降壓控制器,該架構是?定導通時間控制架構的一個變種,其不同之處是可透過控制導通時間而使開關頻率在穩定階段以及整個電壓和負載情況下保持?定。利用這種架構,LTC3833 控制器可具有 20ns 的最小導通時間,並實現從高達 38VIN至 0.6VO的降壓應用。該控制器可同步至一個頻率範圍為 200kHz 至 2MHz 的外部時鐘。圖 14 所示為一具有 4.5V 至 14V 輸入和 1.5V/20A 輸出的典型 LTC3833 電源(參考文獻11)。如圖 15 所示,該電源能夠對突發的高擺率負載暫態做出快速回應。在負載升壓暫態期間,開關頻率增加以提供更快的暫態回應。而在負載降壓瞬變過程中,工作週期降至零。所以,僅輸出電感器限制電流擺率。除了 LTC3833 之外,LTC3838 和 LTC3839 控制器也為多輸出或多相應用提供了具快速暫態回應的多相解決方案。


圖 14:採用 LTC3833 的快速、受控導通時間電流模式電源
圖 14:採用 LTC3833 的快速、受控導通時間電流模式電源。


圖 15a
圖 15(a)


圖 15b
圖 15(b)


圖 15:LTC3833 電源可在快速負載階躍瞬變期間提供快速回應
圖 15(c)
圖 15:LTC3833 電源可在快速負載階躍瞬變期間提供快速回應。


迴路頻寬和穩定性

不管是從電氣角度還是從聲學角度來看,設計精良的 SMPS 都是安靜的。對於一個欠補償的系統(其往往不穩定) 而言,情況就不是這樣了。欠補償電源的典型症狀包括:來自磁性元件或陶瓷電容器的可聽雜訊、開關波形中的抖動、輸出電壓的振盪 … 等等。過度補償的系統可以非常穩定和安靜,但代價是暫態回應速度緩慢。此類系統具有一個非常低的迴路穿越頻率,通常低於 10kHz。暫態回應緩慢的設計需要過大的輸出電容以滿足暫態調節要求,因而增加了總體電源成本和尺寸。最優的迴路補償設計是穩定和安靜的,但不是過度補償的,因此它也具有快速回應以儘量減小輸出電容。有很多文章都討論了如何為電壓模式控制和電流模式控制型 SMPS 優化迴路補償網路的問題(參考文獻2-4)。對於欠缺經驗的電源設計者來說,小訊號建模和迴路補償設計會很困難。凌力爾特的LTpowerCAD 設計工具可處理精細複雜的方程式並大大簡化迴路補償(參考文獻6)。LTspice模擬工具整合了所有的凌力爾特元件模型,並提供了額外的時域模擬以優化設計。不過,在原型設計階段,迴路穩定性和暫態性能的測試/驗證常常是必要的。


一般而言,閉合電壓調節迴路的性能是利用兩個重要的數值來評估的:迴路頻寬和迴路穩定性裕度。迴路頻寬由穿越頻率fC進行量化,在該頻率上迴路增益 T(s) 等於 1(0dB)。迴路穩定性裕度通常採用相位裕度或增益裕度來量化。迴路相位裕度Φm被定義為穿越頻率上總 T(s) 相位延遲與 –180° 之間的差異。增益裕度則被定義為在總 T(s) 相位 = –180° 之頻率上 T(s) 增益與 0dB 之間的差異。對於降壓轉換器,通常認為 45° 的相位裕度和 10dB 的增益裕度是足夠的。圖 16 所示為一款 LTC3829 12VIN至 1VO/60A 三相降壓轉換器的典型迴路增益博多圖。在該例中,穿越頻率為 45kHz,相位裕度為 64°。增益裕度接近 20dB。


圖 16:LTpowerCAD設計工具提供了一種優化迴路補償和負載瞬態回應的簡易方法(三相、單輸出 LTC3829 降壓型轉換器實例)。
圖 16:LTpowerCAD設計工具提供了一種優化迴路補償和負載瞬態回應的簡易方法(三相、單輸出 LTC3829 降壓型轉換器實例)。


(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)


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