电压和电流模式PWM信号产生的直流－直流开关调节器控制

开关DC至DC电压转换器(“调节器”)包括两个元件：一个控制器和一个功率级。功率级采用了开关元件和将输入电压为所需的输出。控制器监督的开关操作以调节输出电压。两者是通过一个反馈回路，与所需的输出来导出误差电压进行比较的实际输出电压相连。控制器是关键到电源的稳定性和精确度，以及几乎所有的设计采用了脉冲宽度调制(PWM)技术来调节。有生成的PWM信号的两个主要方法：电压模式控制和电流模式控制。电压模式控制是先，但是它的缺点 - 如缓慢响应负载变化和环路增益，与输入电压改变 - 鼓励工程师开发替代基于电流的方法。如今，工程师们可以从广泛使用两种控制技术的电源模块选择。这些产品采用的技术克服了前代的重大缺陷。本文介绍了电压和电流模式控制技术的PWM信号产生的开关电压调节器，并解释了每个应用程序最适合。

电压模式控制

设计师负责建设的电源可以建立由分立元件的单位(见技术专区的文章“DC / DC稳压器：如何选择之间通过分立和模块化设计”)集成，独立的控制器和功率组件，或电源模块两个元件集成到一个芯片。但任何设计技术时，存在的可能性高，监管将采用的(典型的)的固定频率的PWM技术。 (甲恒定开关频率是希望的，因为它限制了由电源产生的电磁干扰(EMI)。)在电压模式控制调节器中，PWM信号由施加控制电压(VC)的一个比较器的输入和一个产生锯齿波电压(Vramp而使)(或“PWM斜坡”)固定频率的，由时钟产生，到另一个(图1)。

图1：PWM发生器的开关电压调节器。 (礼貌：德州仪器)，PWM信号的占空比成比例的控制电压，并确定开关元件导通，因此，反过来，输出电压(见技术专区文章的时间的百分比的“使用PFM提高开关DC / DC稳压器效率，在低负荷“)。该控制电压从实际输出电压与所需输出电压(或基准电压)之间的差得到的。调制器增益Fm的被定义为导致占空比从0到100%(FM = D / VC = 1 / Vramp而使).1Figure 2示出了典型的开关调节器的积木去控制电压的变化。功率级包括一个开关，二极管，电感器，变压器(用于隔离设计)，和输入/输出电容器。这个阶段将输入电压(VIN)为输出电压(VO)。电压调节器的控制部具有与参考电压(等于所希望的输出)上的一个输入和从另一分压器输出一个误差放大器。分压器是从输出的反馈跟踪供给。来自误差放大器的输出提供控制电压(VC或“误差电压”)，其形成一个输入到PWM comparator.2

图2：控制部分和功率级电压模式控制开关稳压器的。 (Microsemi公司提供)电压模式控制的优点包括：单反馈回路使设计和电路分析更加容易;使用大振幅斜坡波形稳定的调制过程中提供良好的噪声容限和低阻抗功率输出多路输出电源提供更好的交叉调整的。但该技术也具有一些显着的缺点。例如，负载变化必须首先被检测为输出变化，然后通过反馈环路纠正 - 导致缓慢的响应。输出滤波器复杂电路补偿，从而可以更加困难，因为，该环路增益随输入电压而变化的事实来制备。

电流模式控制

在80年代初期，工程师们想出了解决的电压模式控制方法的不足之处替代开关电压调节器技术。称为电流模式控制，该技术导出PWM斜坡通过添加第二环路反馈电感电流。该反馈信号包括两部分：将AC纹波电流，并且DC或电感电流的平均值。所述信号的放大形式被路由到PWM比较器的一个输入端，而误差电压形成的另一输入。由于与电压模式控制方法，该系统时钟确定PWM信号频率(图3)。

图3：电流模式控制开关稳压器。此处PWM斜坡是从所述输出电感电流产生的信号产生的。 (德州仪器公司提供)电流模式控制地址电压模式控制的反应慢，因为电感电流上升与由输入和输出电压之间的差确定一个斜率，因此立即响应LINE-或负载电压的变化。进一步的优点是，电流模式控制消除了与电压模式控制方法的输入电压缺点环路增益变化。此外，由于在电流模式控制电路的误差放大器的命令的输出电流，而不是电压，在电路响应输出电感的影响最小化和补偿更加容易。该电路还表现出相比电压模式控制装置的更高增益的带宽。电流模式控制的其他好处包括固有脉冲由脉冲电流通过从误差放大器夹紧命令限制性的，并简化了负载分担当多个功率单元被用在平行。有一段时间，电流模式控制看着有寄售电压模式控制历史。不过，虽然他们采取了一会儿浮出水面，工程师们发现，电流模式控制稳压器带来了独特的设计挑战。一个主要的缺点是电路分析是困难的，因为调节器的拓扑结构现在包括两个反馈环路。第二个复杂问题是“内部”控制回路(承载电感电流信号)的占空比在50%以上的不稳定性。进一步的挑战来自于一个事实，即由于控制环路从电感器的输出电流得到，从功率级的共振噪声引入该内控制loop.3限制电流模式控制调节到小于50的占空比百分之强加的设备的输入电压严重的局限性。幸运的是，不稳定性问题可以通过“注入”少量斜率补偿的进入内循环来解决。这种技术是为了保证在PWM占空比的所有值稳定运行。斜率补偿通过减去来自误差放大器的输出锯齿电压波形(在时钟频率上运行)来实现的。可替代地，补偿斜坡电压可以直接加在电感电流信号(图4)。

图4：斜率补偿电流模式控制稳压器。 (德州仪器公司提供)的数学分析表明，以保证电流环路稳定性的补偿斜坡的斜率必须大于二分之一电流waveform.4的下降斜率的有市售许多电流模式控制调节器。 Microsemi的，例如，提供NX7102同步降压型(“降压”)稳压器，具有电流模式控制。该芯片可以接受的4.75至18伏特的输入范围，并提供一个可调节的输出下降到0.925五最大输出电流为3A和峰值效率是百分之90至95根据输入电压。就其本身而言，德州仪器(TI)提供了一个广泛的电流模式控制调节器。一个例子从2.5到12 V电源的TPS63060，同步降压/升压型(“提升”)的2.4MHz调节提供2.5至8 V输出(在高达1 A)。该设备提供高达93%的效率，主要针对移动应用，例如便携式计算机和工业计量设备。意法半导体还提供一系列电流模式控制设备，包括STBB2的。这是一个同步降压/升压2.5 MHz的稳压器提供要么2.9或3.4 V的输出从2.4至5.5 V的输入。该设备能够提供高达800毫安90%的效率，并在球栅阵列(BGA)封装被提供。

电压模式死灰复燃

通过一些芯片供应商目录一看发现，电压模式控制调节器并没有消失。这样做的原因是，上一代器件的关键缺点已经解决通过使用一种叫做电压前馈技术。电压前馈是通过修改PWM斜坡波形的斜率与正比于输入电压的电压来实现的。这提供了一个相应的和校正占空比调制独立反馈环路。该技术提高了电路响应线路和负载瞬变，同时消除敏感的输入滤波器的存在。电压前馈也稳定了环路增益，使得其不再与输入电压而变化。次要缺陷是一些附加的电路复杂性，因为一个传感器，以检测输入电压。工程师可以从主要供应商广泛的电压模式控制调节器来选择。例如，Maxim提供在其投资组合包括MAX5073一些电压模式控制设备。这个开关稳压器是一种降压/升压2.2 MHz器件从5.5到23伏供电电压，并产生0.8至28 V的输出在降压模式，稳压器可提供高达2 A.同样，Intersil公司提供的ISL9110A，一2.5 MHz的开关稳压器具有电压模式控制。该器件在1.8〜5.5 V的输入电压范围，并提供以高达1.2 A的95%的效率3.3 V的输出。就其本身而言，国际整流器提供的IR3891，电压模式控制降压型稳压器为1的宽输入范围为21 V和0.5〜18.06 V的输出范围该芯片具有300千赫到1.5的开关频率范围兆赫，可以提供多达4个A的IR3891有两个输出。

技术的选择

几乎所有的开关电压稳压器采用PWM控制的开关元件。是无论是从一个控制电压结合在时钟频率为电压模式调节器的锯齿波形运行(从中减去从基准电压的输出电压得到)产生，或通过添加一个第二环路反馈电感电流的PWM信号对于当前模式的类型。通过诸如电压前馈电压控制设计和斜率补偿电流模式单元使用技术现代设备已经基本上克服了旧的设计的主要缺点。这些创新的结果是，工程师有两种类型的拓扑广泛的选择。电压模式控制开关稳压器时，建议宽输入线和输出负载变化是可能的，轻负载下(当电流模式控制斜坡斜率就太浅薄了稳定的PWM操作)，在嘈杂的应用程序(在噪声从功率级会发现它的方式成电流模式控制反馈回路)，并在需要具有良好的交叉调节多输出电压。电流模式控制设备推荐的应用中电源输出大电流或非常高的电压;最快的动态响应是需要在一个特定频率，输入电压的变化受到限制，并且在应用中的组件的成本和数量必须被最小化。关于本文中讨论的部件的更多信息，请提供给访问该向Digi-Key网站的产品信息页面的链接。