一種采用仿峰值電流模式的Buck型DC-DC設(shè)計(jì)

徐彥峰，王 勝，張 鍵，曹正州，張旭東

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

近年來(lái)，伴隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，使之適用于各種環(huán)境的控制技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。相比于脈沖頻率調(diào)制（PFM）和突發(fā)（Burst）模式，脈沖寬度調(diào)制（PWM）以其低噪聲、高穩(wěn)定性、低輸出電壓紋波以及能在較寬負(fù)載范圍內(nèi)保持較高轉(zhuǎn)換效率等特點(diǎn)，成為開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用最為廣泛的控制方式[1]。

PWM模式常見(jiàn)的控制方式為電壓模式、峰值電流模式和平均電流模式，但這3種控制方式也有各自的缺點(diǎn)[2-3]。平均電流模式參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy；電壓模式動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)復(fù)雜；峰值電流模式對(duì)噪聲敏感且小占空比的條件下不穩(wěn)定。

本文將峰值電流模式和電壓模式結(jié)合在一起，提出了仿峰值電流模式。該模式克服峰值電流模式對(duì)噪聲敏感且小占空比條件下不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，使之適用于寬輸入電壓的Buck型DC-DC。

2 電壓模式與峰值電流模式原理[3]

2.1 電壓模式

Buck型DC-DC電壓模式的原理圖如圖1所示。它通過(guò)分壓電阻將輸出電壓采集到誤差放大器，然后將誤差放大器輸出的緩變直流信號(hào)與擁有固定頻率和峰峰值的三角波相比較，得到一定脈寬的信號(hào)，用該信號(hào)來(lái)控制輸出管的工作，從而形成只有一個(gè)反饋電壓的閉環(huán)系統(tǒng)。

圖1 電壓模式控制原理圖

電壓模式的優(yōu)點(diǎn)有：（1）單環(huán)反饋控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；（2）三角波振幅較大且頻率固定，在調(diào)制過(guò)程中可提供較好的噪聲裕量；（3）低阻抗功率輸出、對(duì)多路輸出電源具有較好的交互調(diào)制效應(yīng)；（4）占空比調(diào)節(jié)不受限制。

電壓模式的缺點(diǎn)有：（1）任何輸出負(fù)載電流的變化必須先轉(zhuǎn)換成變化的電壓信號(hào)，再經(jīng)反饋環(huán)采樣、反饋、調(diào)節(jié)，使得電壓模式動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢；（2）輸出LC濾波結(jié)構(gòu)為控制環(huán)引入了雙極點(diǎn)，使補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度大大提升。

2.2 峰值電流模式

Buck型DC-DC峰值電流模式的原理圖如圖2所示。電壓誤差放大器(EA_V)將采集到的誤差電壓信號(hào)放大，輸出到PWM比較器后，并不像電壓模式那樣與幅值、頻率固定的三角波做比較，而是與一個(gè)由電流誤差放大器(EA_I)采集電感電流產(chǎn)生的、其峰值代表電感峰值電流的斜坡信號(hào)作比較，最終得到PWM脈沖控制信號(hào)。

峰值電流模式是一種固定時(shí)鐘開(kāi)啟、峰值電流關(guān)斷的控制方法。它是由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電流內(nèi)環(huán)是瞬時(shí)快速按照逐個(gè)周期工作的，負(fù)責(zé)監(jiān)控、反饋電感的電流和輸入電壓的變化情況，所以電壓外環(huán)僅需控制輸出電容，以保證輸出電壓的穩(wěn)定。

圖2 峰值電流模式控制原理圖

峰值電流模式的優(yōu)點(diǎn)有：（1）閉環(huán)響應(yīng)速度快，對(duì)輸入電壓和輸出負(fù)載變化都具有極快的響應(yīng)速度；（2）由于電感處于電流內(nèi)環(huán)反饋的環(huán)路中，這樣就消除了電感帶來(lái)的極點(diǎn)和二級(jí)特性，使整體系統(tǒng)成為一個(gè)由輸出電容和負(fù)載電阻構(gòu)成的單極點(diǎn)系統(tǒng)，相對(duì)于電壓模式控制有更簡(jiǎn)單的補(bǔ)償電路；（3）峰值電流模式擁有逐脈沖限流能力，相對(duì)于電壓模式能更有效地保護(hù)電路。

峰值電流模式的缺點(diǎn)有：（1）PWM控制信號(hào)占空比大于50%時(shí)，峰值電流模式容易發(fā)生諧波振蕩，需要做額外的斜坡補(bǔ)償，增加了電路的復(fù)雜程度；（2）對(duì)噪聲敏感，抗噪聲能力差，因?yàn)殡姼械纳仙逼滦甭释ǔ］^小，所以電流信號(hào)上較小的噪聲信號(hào)都有可能改變開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)刻，使電路發(fā)生振蕩。

3 Buck型DC-DC中電感電流的變化

在說(shuō)明仿峰值電流模式之前，我們需要知道Buck型DC-DC變換器中電感電流的變化情況[4]。Buck型DC-DC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及等效電路如圖3所示。

圖3 Buck型DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及等效電路

根據(jù)其工作過(guò)程，它可以分為兩個(gè)工作階段：一是充電階段，等效電路如圖3（b）所示，另一個(gè)是續(xù)流階段，等效電路如圖3（c）所示。充電階段電感兩端的電壓為：

由電感方程：

充電階段電感電流的變化量為：

因?yàn)殡姼械募纳娮鑂L和輸出管的導(dǎo)通電阻RDS很?。?/p>

由上式可知，充電階段電感電流固定斜率為：

同理可以推出，在續(xù)流階段，電感電流的變化量為：

由上式可知，續(xù)流階段電感電流固定斜率為：

所以Buck型DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電感電流波形如圖4所示。

圖4 Buck型DC-DC電感電流波形

4 仿峰值電流模式的原理與設(shè)計(jì)

4.1 仿峰值電流模式的工作原理

峰值電流模式之所以抗噪聲能力差，是因?yàn)樗杉姼猩系碾娏髯鳛镻WM控制依據(jù)，然而電感電流的上升斜率較小，很容易受到外界噪聲信號(hào)的干擾，噪聲信號(hào)通過(guò)電流誤差放大器的放大后會(huì)對(duì)電路穩(wěn)定造成很大的影響；另外峰值電流逐周期電流檢測(cè)的特點(diǎn)也大大增加了噪聲信號(hào)通過(guò)電感進(jìn)入系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。

峰值電流模式中，當(dāng)輸出管尺寸大時(shí)寄生參數(shù)較大，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常大的上升沿過(guò)沖。同時(shí)，電流測(cè)量也可能引入明顯的傳輸延時(shí)，濾波器、傳輸延時(shí)都會(huì)限制能達(dá)到的最小脈沖寬度。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)大于輸出電壓時(shí)，小脈寬和小占空比的控制就會(huì)非常困難[5]。

當(dāng)然電流模式本身的優(yōu)點(diǎn)也很明顯，所以我們決定在峰值電流模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)其抗噪聲能力差、小占空比不穩(wěn)定、大功率條件下有比較大的上升沿過(guò)沖等缺點(diǎn)做一定的改進(jìn)。優(yōu)化的關(guān)鍵就在于對(duì)電感電流信號(hào)的采樣，改進(jìn)原理圖如圖5所示。

圖5 仿峰值電流模式控制原理圖

我們用一個(gè)獨(dú)立的、不需要測(cè)量就能反映電感電流上升過(guò)程的斜坡發(fā)生器來(lái)代替峰值電流模式中經(jīng)過(guò)電流誤差放大器輸出的電感電流信號(hào)，這樣既可以避免疊加在電感信號(hào)上的噪聲，又能消除開(kāi)關(guān)管通斷瞬間產(chǎn)生的上升沿過(guò)沖對(duì)電路的影響，同時(shí)還能保留峰值電流模式逐周期調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)斜坡發(fā)生器產(chǎn)生的仿電感電流信號(hào)包含2個(gè)元素，一個(gè)是采樣保持的直流分量，一個(gè)是上升階段電感電流的仿真電流斜坡。其理想波形如圖6所示。

圖6 仿電流斜坡發(fā)生器的理想波形圖

4.2 仿峰值電流模式的設(shè)計(jì)

仿電流斜坡發(fā)生器的具體設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 仿斜坡電流模式設(shè)計(jì)方案及理想波形示意圖

4.2.1 采樣保持直流分量的建立

該直流分量表示的是電感電流波動(dòng)時(shí)谷值所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，它用來(lái)作為斜坡電流信號(hào)的動(dòng)態(tài)起始點(diǎn)。采樣電阻RS采集續(xù)流階段電感L上的電流變化，并將采集到的電流信號(hào)通過(guò)電流誤差放大器(EA_I)轉(zhuǎn)化為可以反映電感電流變化的電壓信號(hào)，然后通過(guò)CLK控制傳輸門的導(dǎo)通狀態(tài)，使傳輸門在電感續(xù)流階段結(jié)束時(shí)進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，這樣電容C1就能保持該電壓，作為仿電感充電階段電流信號(hào)（電感電流通過(guò)電流誤差放大器轉(zhuǎn)化而成的電壓信號(hào)）的起點(diǎn)。這一隨電感電流逐周期變化的直流量的采集方式，保留了峰值電流模式對(duì)電路逐周期管理的特點(diǎn)，同時(shí)由于我們采集到的是半周期穩(wěn)定狀態(tài)里的信號(hào)作為直流分量，既減少了噪聲信號(hào)對(duì)脈寬信號(hào)的干擾，又避免了大輸出管在導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生的上升沿過(guò)沖對(duì)電路的影響。

4.2.2 仿真電流斜坡的建立

此處電流斜坡實(shí)際上是指由電流信號(hào)通過(guò)電流誤差放大器轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)。由對(duì)Buck型DC-DC變換器中電感電流的分析可知，電感電流的變化量呈線性變化，若其變化量為ΔI，則有：

在峰值電流模式中，該電感電流變化量用采樣電阻RS采集到電流誤差放大器，通過(guò)電流：

式（10）中Rs和A都是固定值，所以該電壓信號(hào)也為固定斜率變化的斜坡信號(hào)。

在峰值電流模式中Va信號(hào)會(huì)與電壓誤差放大器產(chǎn)生的電壓信號(hào)相比較，從而生成脈寬控制信號(hào)；仿峰值電流模式從根本上來(lái)說(shuō)就是要自建一個(gè)與Va完全一樣的電壓信號(hào)Vb，使得Va=Vb；

由電容方程：

我們可以得到以固定斜率變化的仿電流斜坡信號(hào)，該斜坡信號(hào)Vb可表示為：

若 Va=Vb，則有：

由上式可知，我們只需一個(gè)與VIN和VOUT相關(guān)的電流源，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斜坡信號(hào)的模仿，使得Vb=Va，該電流源只需滿足：

使用該電流源給固定電容C2充電，即可得到我們想要的斜坡信號(hào)。

由于在系統(tǒng)中是定值，而在不同輸入輸出條件下L值會(huì)不同，所以我們可以通過(guò)公式（16）來(lái)調(diào)整C2的大小，以適應(yīng)L的變化：

5 仿峰值電流模式的驗(yàn)證

5.1 仿峰值電流模式的仿真

為了驗(yàn)證仿峰值電流模式電路的正確性，我們將其應(yīng)用到一款寬輸入電壓的Buck型DC-DC電路中，做整體功能的仿真驗(yàn)證。在輸入電壓VIN=9 V、輸出電壓VOUT=5 V、負(fù)載電流IOUT=5 A、溫度25℃、工藝腳為tt的條件下，使用HSPICE仿真，仿峰值電流模式電路中各個(gè)特征點(diǎn)的波形如圖8所示。

圖8 仿峰值電流模式仿真結(jié)果

仿真結(jié)果中各個(gè)特征點(diǎn)的波形與圖7中的理想波形圖相一致，從而證明了該模式結(jié)構(gòu)的正確性。

5.2 Buck型DC-DC的整體仿真

證明了仿峰值電流模式邏輯的正確性，我們還需對(duì)其在Buck型DC-DC整體電路中的表現(xiàn)做出仿真驗(yàn)證，電路的整體仿真波形如圖9所示。

圖9 Buck型DC-DC的仿真波形圖

上面的整體仿真波形圖中，對(duì)穩(wěn)定輸出狀態(tài)（圖9（a）中①所指部分）和負(fù)載發(fā)生跳變的狀態(tài)（圖9（a）中②所指部分）的波形圖像做了放大，放大后的波形圖像分別如圖 9（b）和圖 9（c）所示。

從波形圖中可以看出，仿峰值電流模式在Buck型DC-DC的應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)秀，輸出電壓紋波非常?。? mV），并且其負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度快，能夠在短時(shí)間（100 μs）內(nèi)完成調(diào)整，保證了電路的高質(zhì)量恒壓輸出。

5.3 Buck型DC-DC小占空比時(shí)的整體仿真

前文中我們提到，仿峰值電流模式克服了電流模式無(wú)法在小占空比條件下穩(wěn)定工作的缺點(diǎn)，它能使Buck型DC-DC電路在小占空比下穩(wěn)定工作，對(duì)此我們做了仿真驗(yàn)證，仿真條件為溫度25℃、工藝腳tt、VIN=100 V、VOUT=5 V、IOUT=5 A，占空比，結(jié)果如圖10所示。

圖10 Buck型DC-DC小占空比下的仿真波形圖

由圖10可以看出，仿峰值電流模式能夠使Buck型DC-DC電路在占空比時(shí)還能夠穩(wěn)定工作。所以仿峰值電流模式Buck型DC-DC使電路既保留了峰值電流模式動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、逐脈沖過(guò)流檢測(cè)、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，又具有了電壓模式抗噪聲能力強(qiáng)且占空比調(diào)節(jié)不受限制的特點(diǎn)，其與電壓模式、峰值電流模式Buck型DC-DC的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 仿峰值電流型與電壓模式、峰值電流模式Buck型DC-DC優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

仿峰值電流模式BUCK型DC-DC實(shí)現(xiàn)了電壓模式和峰值電流模式優(yōu)點(diǎn)的整合，使得電路具有了外圍補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單、抗噪聲能力強(qiáng)、當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整速度快、占空比調(diào)節(jié)不受限制（使電路適用于寬電壓范圍輸入和寬電壓范圍輸出）、電感電流逐周期檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。其與電壓模式型Buck相比，動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間縮短50%以上，與峰值電流模式Buck相比，在抑制動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)時(shí)過(guò)沖電壓降低30%以上。