用高級(jí)仿真電流模式AECM DC/DC控制拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和低EMI

什么是 AECM 控制？

有許多類型的控制拓?fù)淇山鉀Q非隔離開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器和控制器的特定設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) [1]，包括峰值電流模式控制 (PCM)、電壓模式控制、恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 控制、 D-CAP2? 控制拓?fù)浼捌渌醒苌?a target="_blank">產(chǎn)品。根據(jù)占空比的實(shí)現(xiàn)，可以將這些控制拓?fù)浞譃閮深悾好}寬調(diào)制（PWM）技術(shù)和脈沖頻率調(diào)制（PFM）技術(shù)。PWM 技術(shù)在用于為通信、音頻和汽車設(shè)備供電的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中很常見。它具有固定且可預(yù)測(cè)的開關(guān)頻率，便于設(shè)計(jì)低電磁干擾 (EMI) 的輸出濾波器。

PFM 技術(shù)在用于為圖形引擎、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列等數(shù)字應(yīng)用供電的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中很常見，因?yàn)樗哂锌焖俚呢?fù)載瞬態(tài)響應(yīng)?？刂仆?fù)浯_實(shí)會(huì)影響 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，并且可能會(huì)根據(jù)系統(tǒng)級(jí)要求而有所不同，例如紋波、解決方案尺寸、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)、固定頻率和輕負(fù)載效率。沒有單一的控制拓?fù)溥m合所有應(yīng)用。

在本白皮書中，我將介紹一種基于恒定頻率和電感電流的控制拓?fù)?，該拓?fù)渚哂?a target="_blank">智能環(huán)路帶寬控制，稱為高級(jí)仿真電流模式 (AECM)。這種新的控制拓?fù)浣Y(jié)合了 PFM 和 PWM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，顯示出快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和真正的固定開關(guān)頻率操作。AECM 可以幫助提高當(dāng)前使用 PCM 和 PFM 技術(shù)的應(yīng)用程序的性能。

圖 1.

PCM 控制方案框圖。圖片由

Bodo's Power Systems提供

PCM

PCM 是一種流行的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器固定頻率控制拓?fù)?，因?yàn)樗哂羞^載保護(hù)、準(zhǔn)確性和易于補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。圖 1 說明了降壓轉(zhuǎn)換器的 PCM 控制。

功率級(jí)由功率開關(guān)和輸出濾波器組成。補(bǔ)償模塊包括輸出分壓器網(wǎng)絡(luò)、誤差放大器、參考電壓和補(bǔ)償元件。脈寬調(diào)制器使用比較器將電感電流信息與斜率補(bǔ)償斜坡與誤差信號(hào)進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生一個(gè)寬度可通過誤差信號(hào)電平控制的輸出脈沖序列。

如圖 2 所示，內(nèi)部時(shí)鐘啟動(dòng)一個(gè)脈沖，高端場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 開啟，電感中的電流增加。當(dāng)檢測(cè)到的電流達(dá)到控制電壓時(shí)，高側(cè) FET 關(guān)閉，低側(cè) FET 開啟，直到時(shí)鐘的下一個(gè)上升沿。在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生下一個(gè) PWM 脈沖。因此，取決于時(shí)鐘的開關(guān)頻率是真正固定的。

圖 2.

PCM 控制方案波形。圖片由

Bodo's Power Systems提供

PCM 控制引入了一個(gè)內(nèi)部電流環(huán)路，它將電感器轉(zhuǎn)換為電壓控制的電流源。功率級(jí)可以近似為一個(gè)電流源，為輸出電容和負(fù)載電阻的并聯(lián)組合供電，并產(chǎn)生一個(gè)低頻極點(diǎn)。功率級(jí)還包括一個(gè)由輸出電容器設(shè)置的高頻零點(diǎn)及其等效串聯(lián)電阻 (ESR)。II型補(bǔ)償通常引入一零一極來補(bǔ)償輸出極點(diǎn)和輸出零點(diǎn)。

使用傳統(tǒng) PCM 控制設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程師更喜歡外部補(bǔ)償，以便為寬輸出電壓范圍的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)良好的環(huán)路性能。然而，外部補(bǔ)償使環(huán)路設(shè)計(jì)復(fù)雜化并且需要更多的外部元件。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，越來越多的集成電路 (IC) 制造商開發(fā)了內(nèi)部補(bǔ)償 PCM 控制器件，將 Type-II 環(huán)路補(bǔ)償與 Rc、Cc1 和 Cc2 集成在一起。Rc 和 Cc1 產(chǎn)生一個(gè)固定的內(nèi)部零點(diǎn)來補(bǔ)償輸出極點(diǎn)，而 Rc 和 Cc2 產(chǎn)生一個(gè)固定的內(nèi)部高頻極點(diǎn)來補(bǔ)償輸出零點(diǎn)。然而，有效輸出電容和負(fù)載電阻都會(huì)對(duì)輸出極點(diǎn)產(chǎn)生影響。為了支持寬輸出電壓范圍或?qū)捿敵鲭娙莘秶仨殞⒐潭▋?nèi)部零設(shè)置得相對(duì)較低才能獲得良好的穩(wěn)定性。更重要的是，PCM控制的交叉頻率（fc）被設(shè)計(jì)成滿足fsw/5 < fc < fsw/10。因此，誤差放大器引入了一些延遲，從而限制了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

PCM也有這些缺點(diǎn)：

? 輸出電壓越低，在一定輸出電流下的負(fù)載電阻越低。使輸出極點(diǎn)接近固定的內(nèi)部零點(diǎn)需要較大的輸出電容，從而導(dǎo)致更高的物料清單成本。

? 一些通過鉗位控制電壓以在輕負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率的 PCM 器件可能會(huì)面臨多脈沖問題，從而導(dǎo)致較大的輸出紋波。

D-CAP2控制方案

D-CAP2 控制方案是自適應(yīng) COT 控制的一種變體，在 IC 內(nèi)部集成了一個(gè)仿真斜坡發(fā)生器電路。這種控制方案在降壓轉(zhuǎn)換器中很受歡迎，因?yàn)樗?jiǎn)單且改進(jìn)了負(fù)載瞬態(tài)性能。圖 3 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的 D-CAP2 控制框圖，而圖 4 顯示了相應(yīng)的控制波形。

斜坡發(fā)生器（紋波注入發(fā)生器）模擬電感電流信息并將該信息返回到比較器。

圖 3.

D-CAP2? 控制方案框圖。圖片由

Bodo's Power Systems提供

圖 4.

D-CAP2 控制方案波形。圖片由

Bodo's Power Systems提供

當(dāng)仿真斜坡電壓和反饋電壓低于參考電壓時(shí)，比較器輸出變?yōu)楦唠娖揭詥?dòng)導(dǎo)通時(shí)間脈沖。導(dǎo)通時(shí)間脈沖 (Ton) 的寬度是恒定的，因?yàn)樗怯勺赃m應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器根據(jù)輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和頻率設(shè)置計(jì)算得出的。關(guān)斷時(shí)間取決于電壓紋波，它在線路或負(fù)載瞬態(tài)期間有一些變化。結(jié)果，開關(guān)頻率是偽固定的。在導(dǎo)通期間，高側(cè) FET 開啟，電感電流增加以對(duì)輸出電壓充電。導(dǎo)通時(shí)間過后，高側(cè) FET 關(guān)閉，低側(cè) FET 開啟。輸出電壓下降，直到產(chǎn)生下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間脈沖。因?yàn)?D-CAP2 控制拓?fù)錄]有集成振蕩器或時(shí)鐘，導(dǎo)通時(shí)間可能會(huì)受到從邏輯到驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲的影響，從而導(dǎo)致抖動(dòng)性能不佳。這就是 IC 制造商不容易設(shè)計(jì)具有 D-CAP2 控制拓?fù)涞母唛_關(guān)頻率降壓轉(zhuǎn)換器 (2.1 MHz) 的主要原因。此外，仿真斜坡生成電路在不同負(fù)載條件下存在不同的失調(diào)電壓，導(dǎo)致輸出電壓精度較差。

D-CAP 控制拓?fù)湟筝敵錾嫌幸恍┘y波，低 ESR 電容器可能會(huì)成為問題。這就是工程師需要 D-CAP2 控制的原因。D-CAP2 降壓轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部仿真斜坡發(fā)生器電路也存在一些限制，因此傳統(tǒng)的 D-CAP2 降壓轉(zhuǎn)換器只能支持高達(dá) 7 V 的輸出。還有最低關(guān)斷時(shí)間要求由于谷底電壓檢測(cè)；因此，不建議將 D-CAP2 控制用于大占空比應(yīng)用。

圖 5.

D-CAP2? 降壓轉(zhuǎn)換器的波特圖。圖片由

Bodo's Power Systems提供

參考文獻(xiàn) [2] 提出了 DCAP2 控制拓?fù)涞拈_環(huán)傳遞函數(shù)。圖 5 顯示了相應(yīng)的波特圖。仿真斜坡生成模塊引入了一個(gè)內(nèi)部零點(diǎn)，可以消除由輸出電感和電容設(shè)置的雙極點(diǎn)，從而使增益圖以每十倍頻的 –20 dB 斜率穿過水平線 0 dB，并提升相位在交叉頻率的余量。等式 1 將開環(huán)傳輸?shù)闹绷髟鲆姹硎緸椋?/p>

G (0) = A × H (0) = A × V (1)

其中 Acp = (R1 + R2)/R2。

由于 Acp 和 Vref 是恒定的，因此直流增益與 VOUT 成反比。如圖 6 所示，如果 VOUT1 > VOUT0 > VOUT2，則直流增益趨勢(shì)為 Gain1 < Gain0 < Gain2。對(duì)于某個(gè)設(shè)備，內(nèi)部零是固定的。假設(shè)不同輸出的雙極點(diǎn)相同，則帶寬趨勢(shì)為 fBW1 < fBW0 < fBW2。因此，對(duì)于 D-CAP2 降壓轉(zhuǎn)換器，較高的輸出電壓將具有較低的帶寬。

此外，由于占空比不能隨 COT 控制而改變，導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器將在環(huán)路中產(chǎn)生延遲因子，從而導(dǎo)致高頻相位下降。更大的占空比意味著更長的導(dǎo)通時(shí)間，從而導(dǎo)致更大的相位下降。

圖 6.

D-CAP2? 降壓轉(zhuǎn)換器在不同 VOUT 條件下的波特圖。圖片由

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AECM 控制優(yōu)勢(shì)

AECM 是一種基于固定頻率調(diào)制器的新拓?fù)?，具有用于環(huán)路控制的仿真電流信息，結(jié)合了 PCM 控制的固定頻率和 D-CAP2 控制拓?fù)涞目焖儇?fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。AECM 的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)包括：

真正的固定頻率調(diào)制，可以簡(jiǎn)化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)，輕松實(shí)現(xiàn) 2.1 MHz 等高頻調(diào)制。

具有智能環(huán)路帶寬控制的仿真斜坡發(fā)生器電路，可智能調(diào)節(jié)直流增益，支持具有良好負(fù)載瞬態(tài)性能的寬輸出和高占空比應(yīng)用。

可以簡(jiǎn)化降壓轉(zhuǎn)換器的 AECM 控制，如圖 7 所示。有兩種基本操作模式，PWM 模式和 PFM 模式，可由模式檢測(cè)模塊選擇。電壓環(huán)路中的積分器可以改善輸出電壓精度問題。

圖 7.

AECM 控制框圖。圖片由

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集成振蕩器產(chǎn)生固定時(shí)鐘。在 PWM 模式下占空比高于 50% 時(shí)，在調(diào)制器中實(shí)施斜率補(bǔ)償可避免次諧波振蕩。帶有智能環(huán)路帶寬控制電路的仿真斜坡發(fā)生器可以調(diào)整直流增益，以在所有輸出軌上實(shí)現(xiàn)高帶寬。即使有積分器，與 PCM 控制不同，AECM 控制中的積分器也可以提高輸出電壓精度，而不會(huì)直接影響回路響應(yīng)速度。

AECM 控制的工作原理

PWM操作模式

PWM 模式控制方案類似于 PCM 控制。如下頁圖 8 所示，內(nèi)部時(shí)鐘以一個(gè) onpulse 開頭；高邊 FET 然后開啟，電感中的電流增加。當(dāng)仿真斜坡電壓、反饋電壓和斜坡補(bǔ)償電壓達(dá)到集成參考電壓時(shí)，高側(cè) FET 關(guān)閉，低側(cè) FET 開啟，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，在 PWM 模式下，開關(guān)頻率是真正固定的。

圖 8.

AECM 控制方案波形：PWM 工作模式（a）；PFM 操作模式 (b)。圖片由

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圖 9 顯示了 AECM 設(shè)備的負(fù)載瞬態(tài)行為。占空比隨著 VOUT 的減小或增大而增大或減小。

PFM 操作模式

AECM 控制實(shí)施 PFM 模式以在輕負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率。隨著負(fù)載電流的降低，器件從連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 進(jìn)入非連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)。在這兩種模式下，開關(guān)頻率都是固定的；導(dǎo)通脈沖寬度 (Ton) 取決于負(fù)載電流。較輕的負(fù)載具有較短的噸。AECM 有一個(gè)類似于 D-CAP2 控制拓?fù)涞臏?zhǔn)時(shí)發(fā)生器，但該發(fā)生器在 PWM 模式下被禁用。

圖 9.

占空比隨負(fù)載電流的變化：負(fù)載升壓 (a)；負(fù)載降壓 (b)。圖片由

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隨著負(fù)載電流的進(jìn)一步降低，Ton 降低到內(nèi)部鉗位導(dǎo)通時(shí)間，而 AECM 設(shè)備進(jìn)入 PFM 模式，內(nèi)部時(shí)鐘被阻止并啟用導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器。如圖 8 所示，PFM 模式的控制方案類似于 D-CAP2 控制方案。下頁的圖 10 顯示了 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉(zhuǎn)換波形。

圖 10.

AECM 的 PWM 模式和 PFM 模式之間的轉(zhuǎn)換波形：PWM 模式到 PFM 模式（a）；PFM 模式轉(zhuǎn)為 PWM。圖片由

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智能環(huán)路帶寬控制

與 PCM 控制不同，直接電感電流信息位于環(huán)路中，AECM 使用仿真電感電流信息。AECM 控制的輸出濾波器引入了一個(gè)雙極點(diǎn)，類似于 D-CAP2 控制拓?fù)?。因此，AECM 控制的波特圖類似于 D-CAP2 控制拓?fù)洹?/p>

在 D-CAP2 控制中，Acp 是恒定的，開環(huán)傳遞函數(shù)的直流增益隨 VOUT 而變化。在 AECM 控制中，Acp 根據(jù) VOUT 設(shè)置適應(yīng) R2 的變化值，以使 Acp × VOUT 保持恒定值以獲得固定的直流增益。如圖 11 所示，假設(shè)不同輸出的雙極點(diǎn)相同，與 D-CAP2 控制的環(huán)路帶寬相比，不同輸出下的環(huán)路帶寬應(yīng)該更接近。

下頁的圖 12 顯示了在不同 VOUT 條件下 AECM 控制的測(cè)量波特圖。直流增益幾乎相同。由于輸出雙極移，交叉頻率和相位裕度略有不同。

表 1 比較了傳統(tǒng)的 PCM 降壓轉(zhuǎn)換器和 AECM 降壓轉(zhuǎn)換器。下頁的表 2 比較了 D-CAP2 降壓轉(zhuǎn)換器和 AECM 降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 11.

AECM 不同 VOUT 條件下的波特圖。圖片由

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表 1.

比較 PCM 和 AECM 降壓轉(zhuǎn)換器。

表 2.

比較 D-CAP2? 降壓轉(zhuǎn)換器和 AECM 降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 12.

5V 和 1.05V 輸出的測(cè)量波特圖。圖片由

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結(jié)論

具有適用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 AECM 控制拓?fù)涞脑O(shè)備可以實(shí)現(xiàn)具有真正固定頻率的快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)保持寬輸出電壓和低設(shè)計(jì)成本。這種新的控制拓?fù)湟言诙鄠€(gè)產(chǎn)品中實(shí)施，具有良好的性能、易用性和較小的解決方案尺寸。