PWM信号发生的开关稳压器技术参考

开关式 DC-DC 电压转换器（“稳压器”）有两个组成部分：控制器和功率级。功率级含有开关元件，并将输出电压转换为所需的输入电压。 控制器监控开关操作，以调理输入电压。 这两个组成部分经过反应回路相连，将实践输出电压与所需输入比拟，失掉误差电压。
控制器是电源波动和精度的关键，简直一切设计都运用脉宽调制（PWM） 技术停止调理。 发生 PWM 信号有两个次要办法：电压形式控制和电流形式控制。 电压形式控制法首先呈现，但有不足之处，如对负载变化呼应慢、回路增益随输出电压变化，这促使工程师们开发出一种替代办法——电流形式法。
如今，工程师们可以有众多运用这两种控制技术的模块可选。 这些产品运用的技术克制了前代产品的严重缺陷。
本文引见开关稳压器中用于 PWM 信号发作的电压和电流形式控制技术，并解释每个使用合适的情形。
电压形式控制
设计师设计电源时既可以采用分立元件（请参见 TechZone 中的《DC/DC 稳压器：如何在分立式和模块化设计之间选择》）停止构建，也可以运用独立控制器和功率元件或运用将这两元件兼并到单个芯片中的电源模块来构建。
但是无论采用那种设计技术，基本上都需求采用固定频率（通常如此）PWM 技术来停止电压调理。 （之所以需求固定开关频率，是因为它能抑制电源发生的电磁干扰（EMI）。）
在电压形式控制型稳压器中，经过将控制电压 （VC） 施加到比拟器一个输出，然后将由时种发生的固定频率锯齿电压（Vramp，或 “PWM ramp”）施加到比拟器的另一个输出来发生 PWM 信号（参见图 1）


PWM 信号的占空比与控制电压成正比，并决议开关元件的导通工夫的百分比，因而反过来也决议输入电压（参见 TechZone 文件《运用 PFM 改良开关 DC/DC 稳压器的低载能效》。）控制电压源自实践输入电压和所需输入电压（或基准电压）之差。
调制器增益 Fm 定义为惹起占空比从 0 增大至 100 （Fm = d/VC = 1/Vramp） 的控制电压变化。1
 功率级由开关、二极管、电感器、变压器（用于隔离式设计）以及输出和输入电容器组成。 功率级将输出电压 （VIN）转换为输入电压 （VO）。 稳压器控制局部有一个误差放大器，该放大器的两个输出辨别衔接基准电压（即所需输入电压）和分压器输入。 分压器从该输入承受反应跟踪信号。误差放大器输入提供控制电压（VC 或“误差电压”），构成 PWM 比拟器的输一个输出。2

电压形式控制的优势包括：单反应回路使设计和电路剖析更容易；运用大幅度斜坡波形提供了良好的噪声裕量，从而完成波动的调制进程；以及低阻抗功率输入提供更好的交叉调节，从而完成多输入供电。
但是这种技术也有一些分明的缺乏。 例如，必需首先将负载变化检测为一种输入变化，然后由反应回路校正，从而形成呼应慢。 输入滤波器使电路补偿变得复杂，且回路增益随输出电压变化，甚至会使这种补偿变得更困难。
电流形式控制
在上世纪八十年代晚期，工程师们为开关电压稳压器技术开发一种替代技术，克制了电压形式控制法的缺乏。 称之为电流形式控制，这种技术源自 PWM 斜坡，经过添加第二个回路来提供电感器电流反应。 这种反应信号由两个局部组成：AC 纹波电流和 DC 电流或电感电流的平均值。 该反应信号的缩小方式被传送到 PWM 比拟器的一个输出，而误差电压则构成其另一个输出。 与电压形式控制办法一样，零碎时钟决议 PWM 信号频率

电流形式控制处理电压形式控制呼应慢的成绩，由于电感器电流随着输出和输入电压差所决议的斜率而提升，从而因而能立刻呼应线路或负载电压变化。 另一个优势是，电流形式控制法消弭了电压形式控制法中输出电压缺乏惹起的回路增益差别。
而且，由于在电流形式控制电路中，误差比拟器控制输入电流而非电压，因而输入电感器对电路呼应的影响就会降到，且更易停止补偿。 相比电压形式控制器件，这种电路也具较高的增益带宽。
电流形式控制的其它益处包括，经过对来自误差放大器的指令停止箝位，从而对固有逐脉冲电流停止限制，以及并接多个电源安装时简化负载共享。
人们已经一度以为电流形式控制会让电压控制形式成为历史。 但是，尽管如此，工程师们发现电流形式控制稳压器为他们设计带来了新的应战。
次要缺乏是电路剖析难度加大，由于稳压器的拓扑构造中如今包括了两个反应回路。 第二个复杂要素是，“外部”控制回路（带有电感器电流信号）在占空比高于 50% 时不波动。 另一项应战是，由于控制回路源自电感器输入电流，因而来自功率级的谐振会在外部控制回路中发生噪声。3
将电流形式控制稳压器的占空比限制在 50% 以内时会严重限制设备输出电压。 侥幸的是，不稳定性成绩可以经过在外部回路中“注入”大批斜率补偿来处理。这种技术能确保在一切 PWM 占空比下都能波动运转。
斜率补偿经过从误差放大器输入提取锯齿电压波形（运转在时钟频率下）来完成。 此外，补偿斜率电压可以直接加到电感器电流信号上（图 4）。
图 4：采用斜率补偿的电流形式控制稳压器。（感激 Texas Instruments 提供材料）
数据分析显示，为保证电流回路的稳定性，补偿斜坡的斜率必需大于电流波形下降斜率的一半。4
市面上有多种电流形式控制稳压器在售。例如Microsemi 提供的 NX7102 就是采用电流形式控制的同步降压稳压器。 该芯片可承受 4.75 至 18 V 的输出范围，并提供低至 0.925 V 的可调输入。输入电流为 3 A，且峰值能效在 90% 到 95% 之间，详细取决于输出电压。
就其自身而言，Texas Instruments 提供了普遍的电流形式控制稳压器选择。 TPS63060 就是一例，这是一个同步升压型 2.4 MHz 稳压器，能从 2.5 到 12 V 电源提供 2.5 至 8 V 输入（在高达 1 A 电流时）。 该器件能效高达 93%，针对如便携式计算机和工业计量设备等挪动使用。
STMicroelectronics 也供给各种各样的电流形式控制器件，包括 STBB2。 这是一个同步升压型 2.5 MHz 稳压器，从 2.4 到 5.5 V 电源提供 2.9 至 3.4 V 的输入。该器件能以 90% 的能效供给高达 800 mA 的电流，它采用球栅阵列（BGA） 封装。
电压形式妙手回春
随意看一下一些半导体厂商的产品目录即可发现，电压形式控制稳压器并没有消逝。之所以这样，是因为这些器件以前各代产品的缺乏曾经经过运用一种称为电压前馈的技术处理了。
电压前馈是经过修正电压与输出电压成正比的 PWM 斜坡波形的斜率来完成的。 这样提供了一种分歧的纠正型占空比调制，且独立于反应回路。
这种技术改良了对线路和负载瞬变的电路呼应，同时消弭了对存在输出滤波器的敏感性。 电压前馈同时波动了回路增益，以使其不再随输出电压变化。 稍有缺乏的是，某种程度上添加了电路复杂性，由于需求一个传感器检测输出电压。
各大元件厂商提供了众多电压形式控制稳压器供工程师选择。 例如，Maxim 的产品组合中就有多种电压形式控制器件，包括 MAX5073。 这款开关稳压器是一款升压型 2.2 MHz 器件，任务在 5.5 到 23 V 电源下，并能发生 0.8 到 28 V 输入。在升压形式下，该稳压器可以提供 2 A 电流。
相似的，Intersil 提供的 ISL9110A 也是一款采用电压控制的 2.5 MHz 开关稳压器。 该器件由一个 1.8 到 5.5 V 输出电压驱动，并以 1.2 A 电流提供 3.3 V 输入，能效达 95%。
就其自身而言，InternaTIonal RecTIfier 提供了 IR3891，这是一款具有 1 至 21 V 宽输出范围的电压形式控制升压稳压器，输入范围为 0.5 到 18.06 V。该芯片的开关频率范围为 300 KHz 到 1.5 MHz，且能提供高达 4 A 的电流。IR3891 具有两个输入。
技术的选择
基本上一切开关稳压器均采用 PWM 控制技术来完成开关元件。 PWM 信号既可以从与运转在时钟频率下的锯齿波形相结合的控制电压（源自从基准电压提升的输入电压）发生，也可以经过添加第二个回路将电流控制形式的电感电流馈回的方式来发生。经过采用象用于电压控制设计的电压前馈和用于电流形式安装的斜率补偿之类技术，古代器件曾经完全克制了原有设计的次要缺乏。
正是由于这些创新，使得工程师们对这两种拓扑类型都有拥有普遍的选择。 当宽输出线路或输入负载变化能够时、或处于轻负载条件下（当电流形式控制斜坡的斜率太浅，不足以完成波动的 PWM 操作时）、或在噪声使用中（功率级发生的噪声需求找到方式回到电流形式控制反应回路中），以及为完成良好的交叉调节需求多个输入电压时，引荐运用电压形式控制开关稳压器。
关于提供的输入是高电流或较高电压，需求在特定频率具有快的静态呼应，输出电压变化受限，以及元件本钱和数量必需降到的使用，引荐运用电流形式控制器件。 

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