為工作選擇合適的穩(wěn)壓器：調(diào)壓閥控制方案

介紹

對于負責(zé)復(fù)雜電路板各個方面的工程師來說，為特定負載點選擇最佳穩(wěn)壓器可能是一項艱巨的任務(wù)。一些供應(yīng)商提供了非常好的解決方案，但這并不能保證為特定應(yīng)用提供合適的調(diào)節(jié)器。例如，為汽車應(yīng)用設(shè)計的電源IC可能不是消費類產(chǎn)品的好選擇。便攜式電源應(yīng)用面臨著一系列獨特的挑戰(zhàn)，因為處理能力增加，而電池運行時間縮短。使用開關(guān)穩(wěn)壓器時，具有敏感RF電路和低噪聲模擬前端（AFE）的設(shè)備帶來了更大的挑戰(zhàn)。在處理來自身體的低電平反射信號的超聲設(shè)備中，頻率同步輸入可能是控制電源開關(guān)諧波的硬性要求。在更高電流的應(yīng)用中，效率通常是最重要的要求。最終，工程師必須確定哪些電源特性對應(yīng)用至關(guān)重要，然后選擇專為這些要求而設(shè)計的穩(wěn)壓器。

細節(jié)決定成敗

在為便攜式應(yīng)用選擇穩(wěn)壓器時，占空比和負載使用情況是重要的細節(jié)。負載使用情況是指負載的行為方式。在正常運行下，負載是否恒定？它們是否經(jīng)常在最小到最大滿量程電流之間變化？占空比操作是設(shè)備處于活動狀態(tài)的時間與其處于空閑或低電流狀態(tài)的時間之比。

為什么這一切很重要？讓我們看一些細節(jié)。負載使用很重要，因為它有助于確定所需的靜態(tài)電流（IQ).例如，調(diào)壓器是否大部分時間都在滿載？然后選擇具有超低 I 的穩(wěn)壓器Q可能不是最重要的規(guī)格，特別是當(dāng)平均負載電流大大高于穩(wěn)壓器的額定值I時Q.如果是這種情況，并且工作占空比較低，并且穩(wěn)壓器的輸出不是保活電壓，并且可以在空閑和睡眠模式下關(guān)斷，那么選擇具有低關(guān)斷電流的穩(wěn)壓器可能更為重要。此外，如果占空比較低且穩(wěn)壓器必須保持導(dǎo)通，則選擇I低的穩(wěn)壓器Q在電池供電的產(chǎn)品中很重要。此外，如果穩(wěn)壓器在正常工作期間為輕負載提供服務(wù)所花費的時間與為滿負載提供服務(wù)的時間一樣多，那么超低工作電流對于優(yōu)化其效率和電池運行時間非常重要。

選擇控制方案

調(diào)節(jié)器控制方案在您的決策中起著非常重要的作用。更復(fù)雜的是，有幾種類型的穩(wěn)壓器拓撲。遲滯或PFM方案通常用于需要在輕負載下優(yōu)化效率的情況。當(dāng)需要較低的輸出噪聲時，需要脈寬調(diào)制（PWM）拓撲，因為這些轉(zhuǎn)換器在固定頻率下工作，因此更容易濾波。PWM與PFM拓撲形成對比，在PFM拓撲中，輕負載時開關(guān)頻率降低，而負載電流增加時開關(guān)頻率增加。

一些穩(wěn)壓器提供雙模式操作，因此可在PWM和跳躍工作模式之間切換。與使用 PWM 模式相比，在跳頻模式下，輕負載下的整體功率效率有所提高。圖1是開關(guān)穩(wěn)壓器（MAX15053）的典型效率圖，工作在跳頻模式。請注意，典型工作電流為1.53mA。因此，如果應(yīng)用的工作占空比較低且負載電流接近最大值，則該開關(guān)穩(wěn)壓器是便攜式應(yīng)用的不錯選擇。需要注意的是，只要穩(wěn)壓器可以在空閑狀態(tài)下處于關(guān)斷狀態(tài)，這一切都是準(zhǔn)確的。但是，當(dāng)工作占空比較低且穩(wěn)壓器在空閑和睡眠狀態(tài)下始終導(dǎo)通時，則使用工作電流低的降壓穩(wěn)壓器更為合適。圖1還顯示MAX1556降壓穩(wěn)壓器在跳躍模式下的工作電流典型值為16μA。兩款器件之間的并排效率比較表明，如果上電時穩(wěn)壓器必須1556%處于工作狀態(tài)，MAX100是延長電池運行時間的更好選擇。

圖1.MAX15053開關(guān)穩(wěn)壓器（左）與MAX1556降壓穩(wěn)壓器（右）的效率比較數(shù)據(jù)顯示，MAX1556是待機模式下始終導(dǎo)通電源的更好選擇。

待機電流對于便攜式應(yīng)用很重要，通過使用供應(yīng)商的網(wǎng)站參數(shù)搜索工具可以簡化穩(wěn)壓器搜索（圖 2）。通過選擇幾個關(guān)鍵參數(shù)，例如內(nèi)部開關(guān)、最小電壓輸入、最大電壓輸入和 I抄送（mA），相對容易地對許多器件選項進行分類，并快速選擇適合應(yīng)用的穩(wěn)壓器。在下面的示例中，設(shè)置了最小和最大輸入電壓，并選中了內(nèi)部開關(guān)盒。設(shè)計工程師可以設(shè)置I抄送（mA） 滑塊到提供的最低設(shè)置?，F(xiàn)在，設(shè)計師從總零件中看到了兩個最佳匹配項。

圖2.用于縮小選擇范圍的參數(shù)搜索工具。

電流模式與電壓模式控制

現(xiàn)在讓我們花一些時間檢查不同的控制拓撲。

PWM 開關(guān)穩(wěn)壓器有兩種控制拓撲：電壓模式 （VM）2, 4和電流模式 （CM）。1, 2, 3CM穩(wěn)壓器使用電感電流作為反饋環(huán)路和電壓反饋環(huán)路的一部分。電感電流和輸出電壓誤差信號是PWM調(diào)制器的輸入信號。圖3顯示了峰值CM控制的簡化原理圖，其中峰值電感電流與輸出電壓一起控制。電感電流通過某種方式檢測，并與控制電壓V進行比較C，這是由輸出電壓誤差得出的。CM控制需要斜率補償，以防止占空比大于50%的次諧波振蕩。

圖3.電流模式 （CM） 控制。

自第一批開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計問世以來，電壓模式控制已經(jīng)使用了很長時間。電壓模式具有單個電壓反饋路徑;PWM是通過將電壓誤差信號與恒定斜坡波形進行比較來執(zhí)行的。圖 4 顯示了此基本配置。

圖4.電壓模式 （VM） 控制。

CM控制的優(yōu)勢

因此，讓我們從 CM 拓撲開始，簡要了解這兩種拓撲的優(yōu)缺點。

為什么是當(dāng)前模式？在仔細觀察電流控制環(huán)路響應(yīng)時，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)控制FET導(dǎo)通時，通過R意義從電流檢測放大器的輸出端提供電壓斜坡。電壓斜坡與電感中的斜坡電流成正比。然后將該斜率補償電壓斜坡與誤差放大器的輸出進行比較?？刂艶ET將一直導(dǎo)通，直到從電感電流檢測到的電壓等于控制電壓VC.當(dāng)這兩個電壓相等時，控制FET關(guān)斷。下一個開關(guān)周期通過根據(jù)圖3所示的固定頻率時鐘信號設(shè)置RS觸發(fā)器來啟動。因此，基本上電壓控制環(huán)路決定了電流環(huán)路調(diào)節(jié)通過控制FET開關(guān)和電感器的峰值電流的水平。在不深入數(shù)學(xué)運算的情況下，CM控制消除了VM控制中的電感極點和二階特性，因為內(nèi)部電流控制環(huán)路包括輸出濾波器電感。因此，外部電壓控制環(huán)路只有輸出濾波器的單極和負載電阻。您可以將CM轉(zhuǎn)換器視為電流源，在低于電流環(huán)路帶寬的頻率下，向輸出電容與負載阻抗并聯(lián)形成的單極供電和調(diào)節(jié)電流。這一切意味著什么？基本上，這意味著補償 CM 控制器的穩(wěn)定性比使用 VM 控制器要容易得多。

現(xiàn)在讓我們談?wù)勓a償計劃。圖5說明了這兩種控制拓撲中使用的兩個典型補償網(wǎng)絡(luò)之間的差異。電壓模式補償4左側(cè)（III型）需要比電流模式補償（II型）更復(fù)雜的補償網(wǎng)絡(luò)5在右側(cè)，甚至可能不需要 C2。

圖5.顯示 VM 補償（左）與 CM 補償（右）的原理圖。使用 CM 補償時，可能不需要 C2。

CM控制方案早期的缺點之一是需要精確的電流檢測2反過來，這會導(dǎo)致傳感元件中的輕微功率損失。當(dāng)今的集成電源解決方案消除了對外部檢流電阻器的需求;電流檢測通過使用 R 在內(nèi)部執(zhí)行DS（ON）的高邊場效應(yīng)管。除了簡單的補償2網(wǎng)絡(luò)，CM轉(zhuǎn)換器提供出色的線路調(diào)節(jié)，對大負載變化的極佳瞬態(tài)響應(yīng)，以及周期間電流限制，因為每個定時周期都會檢測到電流。

線路調(diào)整率定義為輸出電壓隨輸入電壓變化而變化的量。它與控制到輸出傳遞函數(shù)的增益有關(guān)。由于CM拓撲的控制至輸出傳遞函數(shù)的增益與輸入電壓無關(guān)，因此線路調(diào)整率非常好。同樣，對于這種拓撲，單極點以較少的相位/時間滯后工作，因此具有峰值CM控制的轉(zhuǎn)換器將比具有VM PWM控制的轉(zhuǎn)換器具有更好的瞬態(tài)響應(yīng)。在檢查VM拓撲的控制至輸出傳遞函數(shù)時，輸入電壓對增益有直接影響，線路調(diào)整率會降低。當(dāng)今的VM轉(zhuǎn)換器通過采用電壓前饋技術(shù)來克服這一問題，該技術(shù)根據(jù)輸入電壓改變PWM斜坡的斜率。表 1 概述了優(yōu)點/缺點2兩種拓撲。

那么，為什么選擇虛擬機而不是CM？由于CM設(shè)計需要兩個控制環(huán)路，并且與VM相比電路復(fù)雜性更高，因此選擇具有VM控制的穩(wěn)壓器可能更具成本效益。從歷史上看，由于輸入電壓工作范圍較寬，尤其是在低線路/輕負載條件下，電流斜坡可能太淺，無法穩(wěn)定地運行CM PWM。MAX17500/MAX17501/MAX17502/MAX17503和MAX17504系列高壓CM轉(zhuǎn)換器等新器件大大改善了這一限制。

什么是斜率補償？

雖然大多數(shù)現(xiàn)代集成轉(zhuǎn)換器都包含內(nèi)置斜率補償，但了解為什么需要斜率補償非常重要。

假設(shè)降壓轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作。這意味著電感中的電流永遠不會降至零，重負載時占空比約為75%，只有輸出電流作為比較器的斜坡信號（即，沒有斜率補償）。負載瞬變至輕負載將導(dǎo)致電流控制環(huán)路提前關(guān)斷控制FET開關(guān)。由于占空比為75%，因此電感電流衰減和電感磁芯中的磁通量幾乎沒有時間自行復(fù)位。同時，負載電壓決定了電感的下降斜率。只要負載不短路，輸出電感中的電流將需要一段時間才能斜坡下降到PWM比較器上的較低閾值。當(dāng)時鐘啟動下一個周期時，開關(guān)永遠不會打開，因為電流仍然過高。（或者，它在控制器的最小占空比下非常短暫地開啟。如果電流真的很高，下一個周期可能會看到相同的條件并保持有效的關(guān)閉狀態(tài)。

這種情況將使轉(zhuǎn)換器在PWM開關(guān)頻率的某個次諧波下振蕩。斜率補償提供了一種在較短的死區(qū)時間內(nèi)將斜坡降至零的方法。內(nèi)部時鐘信號的斜坡與檢測的電流波形相加。在過流條件下仍然會有非常短的脈沖，但是通過將時鐘信號與電流信號相加，這種次諧波振蕩已經(jīng)得到解決。

同步與異步整流

仔細觀察典型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的功率級，我們發(fā)現(xiàn)有兩種類型的輸出級（圖 6）。同時具有高端和低側(cè)FET的轉(zhuǎn)換器通常稱為具有同步整流;DC/DC 轉(zhuǎn)換器的控制模塊將同步兩個 FET 的導(dǎo)通/關(guān)斷時間。此操作可優(yōu)化并防止這些 FET 重疊，使兩個 FET 同時導(dǎo)通。高端 FET 導(dǎo)通在 V外/V在× 1/F西 南部;低側(cè) FET 在 1 V 時導(dǎo)通外/V在× 1/F西 南部，其中 fsw 是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。一般而言，對于低占空比應(yīng)用，異步轉(zhuǎn)換器可能無法滿足電路板功率效率目標(biāo)，因為傳導(dǎo)功率損耗可能由I × V主導(dǎo)二極管功率損耗與低側(cè)R的比較DS（ON）× I 同步轉(zhuǎn)換器的功率損耗。

選擇具有同步整流的器件時，請仔細觀察應(yīng)用。例如，如果應(yīng)用是將5V轉(zhuǎn)換為2.5V，則額定值為14V的穩(wěn)壓器可能不是最佳選擇，因為它可能設(shè)計用于電信和服務(wù)器應(yīng)用中常見的分布式12V電源總線。因此，內(nèi)部高邊FET可能具有更高的RDS（ON），針對 10V 和更低內(nèi)核電壓低于 1% 的典型占空比進行了優(yōu)化。

在本例中，12V穩(wěn)壓器的FET可以針對低得多的占空比進行優(yōu)化，其中RDS（ON）針對傳導(dǎo)功率損耗占主導(dǎo)地位的低側(cè)FET進行了優(yōu)化;高邊場效應(yīng)管具有更高的RDS（ON）但柵極電荷要低得多，其中開關(guān)功率損耗往往占主導(dǎo)地位。因此，要將5V轉(zhuǎn)換為2.5V，占空比為50%。選擇最大額定值為 6V 的器件可能是更好的選擇。通常，大多數(shù)設(shè)計用于5V和12V系統(tǒng)的降壓轉(zhuǎn)換器將采用同步整流器輸出級。使用肖特基二極管代替低側(cè)FET的異步整流級似乎在電壓電平至少為24V或更高的工業(yè)應(yīng)用中更為常見。

圖6.異步與同步控制。

較新的器件，如上面提到的MAX17501–MAX17504，集成了高端和低端FET。它們的最大電壓輸入額定值為 60V，可在直流電壓總線為 24V 或更高的工業(yè)應(yīng)用中提高效率。

內(nèi)部 FET 與外部 FET

沒有針對所有可能的電源軌進行優(yōu)化的通用穩(wěn)壓器。因此，有時希望優(yōu)化給定應(yīng)用效率的設(shè)計人員會選擇需要外部FET的DC/DC控制器。在更高的功率水平下，當(dāng)從1V創(chuàng)建低于12V的電源軌時，F(xiàn)ET的選擇至關(guān)重要。因此，選擇具有更高R的高邊FETDS（ON）當(dāng)占空比較低時，低柵極電荷可以優(yōu)化整體效率。此外，可能需要并聯(lián)使用兩個或多個FET來降低導(dǎo)通損耗，同時將低側(cè)FET的開關(guān)損耗保持在最小水平。

結(jié)論

第1部分提供了對選擇正確穩(wěn)壓器時的設(shè)計權(quán)衡的更好理解。了解應(yīng)用對于選擇最佳調(diào)節(jié)解決方案至關(guān)重要。通過解釋電壓模式（VM）和電流模式（CM）控制之間的差異，我們幫助讀者選擇適合應(yīng)用的最佳拓撲結(jié)構(gòu)。讀者還將受益于同步整流與異步整流之間性能與成本權(quán)衡的描述。最后，我們概述了為什么選擇使用外部FET的控制器可能是有利的。本應(yīng)用筆記面向電路板設(shè)計人員，他們可能無法使用內(nèi)部電源工程師。

審核編輯：郭婷