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作者：Christopher James，TI公司 每一位電源工程師都熟知并學習過電壓模式和電流模式控制這些傳統的控制拓撲，但卻不太了解基于遲滯的拓撲及其優勢。雖然純遲滯控制對于諸如醫療或工業自動化等特定應用可能并不實用，然而許多比較新的電源拓撲都是基于遲滯的，并且擁有旨在克服純遲滯控制的缺陷的額外特性。此類拓撲被運用于從處理器內核供電到汽車系統等廣泛領域。 幾乎所有的電源均是專為提供一個穩定的輸出電壓或電流而設計的。提供這種輸出調節功能需要一個閉環系統和即將被調節的輸出電壓或電流的反饋。盡管有很多種用于對可用反饋環路進行補償的不同控制拓撲，但它們通常都可以被歸為兩類：脈寬調制 (PWM) 或遲滯。在這兩種基本拓撲的基礎上演變出了第三種拓撲，其為此二者的融合：基于遲滯的拓撲。針對不同的應用，這些控制拓撲各有優缺點。 電壓模式控制 脈寬調制(PWM) 控制被歸為兩種基本類型：電壓模式和電流模式。為簡單起見，本文只討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控制。有關電壓模式與電流模式更為詳細的比較，圖1示出了降壓轉換器中電壓模式控制的基本方框圖。 
圖1：電壓模式控制包括了誤差放大器、時鐘和內部基準電壓 (VREF) 當采用電壓模式控制來調節輸出電壓時，它通過一個連接至其反饋 (FB) 輸入的阻性分壓器來檢測輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨后將該FB信號與一個高準確度內部基準電壓進行比較。圍繞誤差放大器的環路補償電路負責保持系統的穩定。 電壓模式控制擁有諸多的優勢。通過僅調節輸出電壓和其他良好受控的內部信號（比如：時鐘和內部基準電壓），該拓撲具備非常強的抗噪聲能力。而且它還相當地簡單明了。利用輸入電壓前饋保持了簡單性，以在不斷變化的輸入電壓條件下維持恒定的環路增益。此外，輸入電壓前饋還可大幅改善針對線路電壓瞬變的響應。最后，時鐘實現了開關頻率的控制，包括使電路同步至一個外部時鐘源的可能性。 電壓模式控制的主要劣勢是必需的環路補償及對應的環路帶寬限制。就其本質而言，電壓模式控制在功率級中引入了一個雙極點，該雙極點位于輸出濾波器的轉折頻率，因而需要在誤差放大器的周圍布設兩個正確定位的零點。由于該雙極點的頻率通常很低，因而環路帶寬被限制在較低的水平。一般情況下，其被限制為不超過開關頻率的1/10。這對電源的瞬態響應產生了顯著的負面影響。因此，設計人員必須通過增加輸出電容來獲得更好的瞬態結果，從而導致系統成本升高。 考慮到以上的利弊權衡，電壓模式控制仍然是頗具價值的，尤其在那些對噪聲敏感的應用中。電壓模式控制的高噪聲耐受性及其可同步至一個系統時鐘的能力使其很適合于對噪聲最為敏感的應用，例如：醫療和儀表設備等。 遲滯控制 純粹和基本形式的遲滯控制是極其簡單的，所有控制拓撲中最簡單的一種（圖2）。在其端子之間具有某些小遲滯的比較器通過FB輸入將輸出電壓直接與高準確度的內部基準電壓 VREF 進行比較。
圖2：簡單的遲滯控制拓撲只需一個比較器和內部VREF 這種直接控制輸出電壓的優勢在于控制環路的速度。當輸出電壓由于瞬變的原因而發生變化時，控制環路開始做出反應所需的時間僅受限于比較器和柵極驅動器中的傳播延遲。誤差信號不必穿過低帶寬誤差放大器。因此，遲滯拓撲是速度最快的控制拓撲。 此外，其工作原理的簡單性還使其能在無需任何環路補償的情況下保持固有的穩定性。而且這種簡單性也使之成為一種低成本的拓撲。在電源中沒有需要設計、構建和測試的振蕩器或誤差放大器。控制開關動作僅需一個基本的比較器即可。 遲滯拓撲的主要缺陷是其開關頻率變化。沒有負責設定開關頻率的時鐘或同步信號。取而代之的是，開關頻率由遲滯量以及外部組件和工作條件來設定。 當采用純遲滯轉換器時，預計在輸入電壓和負載范圍內將發生很大的頻率變化。而且，如果不采用一個高增益誤差放大器的話，所實現的輸出電壓的DC設定點有可能不如采用電壓模式控制時那么精準。最后，遲滯控制需要利用輸出電容器中的等效串聯電阻 (ESR)。因此，當運用純遲滯拓撲時，一般不能使用ESR極小的陶瓷輸出電容器。 但是，在某些低功率、非常低成本的應用中（比如：玩具），由于此類終端設備的價位非常之低，而且其低功率在遲滯電源的寬開關頻率范圍內產生的電磁干擾 (EMI) 水平很低，因此遲滯轉換器也許是可以接受的。另外，具有非常嚴酷之瞬變的系統需要采用遲滯或基于遲滯的拓撲來維持可接受的輸出電壓調節。假如這些系統的輸入電壓、輸出電壓和其他工作條件處于良好受控的狀態，則開關頻率被保持在一個可接受的范圍之內。這使得遲滯控制成為那些依靠一個固定輸入電壓運作并產生一個固定輸出電壓的應用的有效選擇。 基于遲滯的控制 許多控制拓撲從根本上說都是遲滯的，但其包含了其他旨在克服頻率變化和其他純遲滯拓撲局限性的電路。例如，它們包括D-CAP、D-CAP2、COT、具有ERM的COT和DCS-Control拓撲。本文僅分析和比較DCS-Control 4及相似器件。 根本上說，DCS-Control（采用至節能模式的無縫轉換的直接控制）是一種遲滯拓撲，但其融合了電壓模式和電流模式的某些特性（圖 3）。和在電壓模式控制中一樣，遲滯比較器將一個誤差放大器的輸出與一個鋸齒波形進行比較。
圖3：在基于遲滯的DCS-Control拓撲中，誤差放大器和內部VREF與電壓模式控制中的相同，而遲滯比較器則取自遲滯拓撲。導通定時器(on timer)是基于遲滯的拓撲所特有的 該鋸齒波并非產生自某個時鐘，而是通過一個與輸出電壓直接相連的特殊電路產生在VOS輸入引腳上。實質上，遲滯比較器仍然具有一個通過該VOS引腳至輸出電壓的直接連接，并接入了一個高增益誤差放大器以提供非常優良的輸出電壓設定點準確度。 除了將取自遲滯和電壓模式拓撲的遲滯比較器與誤差放大器加以組合之外，DCS-Control還運用了一種導通時間電路以控制開關頻率。最后，內置了必需的環路補償功能電路以實現穩定性。 DCS-Control的主要優點是可保持遲滯轉換器非�？斓乃矐B響應以及電壓模式轉換器的輸出電壓準確度，同時克服了這兩種拓撲其他的關鍵缺陷，即：緩慢的響應時間、有限的控制環路帶寬和頻率變化。 由于VOS引腳提供了輸出電壓的直接控制，因此輸出電壓的任何變化都將直接通過控制環路傳播，而不會受到誤差放大器帶寬的限制。這將大大加快瞬態響應速度。 就目前的DCS-Control實施方案而言，其主要缺點是無法同步至一個時鐘。作為一種基于遲滯的拓撲，其并未提供時鐘輸入信號，而是提供了一個在各種工作條件下變化極小的受控開關頻率。在某些場合中，該變化小于電壓模式轉換器的時鐘頻率容差。 諸如DCS-Control等基于遲滯的拓撲其最佳的使用場合是那些會遭遇大的瞬變并需要極高輸出電壓準確度的應用。此類應用包括為嵌入式或計算系統中的處理器內核供電，以及工業自動化和汽車信息娛樂系統。 結論 對于不同的應用，“電壓模式”、“遲滯”和“基于遲滯”等三種主要的電源控制拓撲各有優劣。雖然大多數電源工程師都習慣并樂于使用電壓模式控制，但遲滯和基于遲滯的拓撲卻能提供同類最佳的瞬態響應，而且應當就諸如處理器內核供電等需要這種快速響應速度的應用對其做深入探究。由于每種控制拓撲都有數量極為龐大的設備在使用，因此意味著對于幾乎所有的應用而言都很可能有一種最優的電源解決方案。 參考文獻 1. Robert Mammano，開關電源拓撲：電壓模式與電流模式的比較，設計筆記 (SLUA119)，Unitrode，1994 年 2. 采用 2 x 2 SON 封裝的 3 MHz 2A 降壓型轉換器，數據表 (SLVS833B)，德州儀器，2013 年 11 月 3. LM3475 遲滯 PFET 降壓型控制器，數據表 (SNVS239B)，2013 年 3 月。 4. Chris Glaser，高效率、低紋波 DCS-Control提供無縫的 PWM / 節能模式轉換，模擬應用雜志 (SLYT513)，德州儀器，2013 年第三季度 作者簡介 Christopher James Glaser is an applications engineer for TI’s Low Power DC/DC group. In this role, he supports customers, designs evaluation modules (EVMs), writes application notes, trains field engineers and customers, and generates technical collateral to make TI parts easier to use. He received his BSEE from Texas A&M, College Station, Texas. He can be reached at ti_cglaser@list.ti.com. |
