深度解析开关电源中的通用反馈控制架构

　　作者：Harmik Singh， Business Development Manager， Torex

        本文讨论了开关电源中的一些通用反馈控制架构。解释了每种架构的优缺点，并详细讨论了 Torex 的 HiSAT-COT™ 控制架构。HiSAT-COT 专为需要超快速瞬态响应和以固定频率运行的应用而设计。这些应用包括网络和通信设备、电源模块和其他嵌入式产品。

　　开关模式电源转换器通常用于便携式系统，可最大限度地延长电池寿命。它们可用于有效地将电池电压降压或升压为更高水平。开关电源提供电压模式、电流模式和恒定导通时间反馈控制架构（图 1）。脉冲宽度调制 （PWM） 和脉冲频率调制 （PFM） 属于控制输出电压的操作模式。PWM 通过调整开/关时间比来实现调节，开关频率恒定，而 PFM 使用固定开/关时间比，频率可变。

图1：PWM 直流电源可以是电压模式或电流模式，而 PFM 直流电源则可以是恒定导通时间设备。（图片来源：Torex）

　　PWM 和 PFM 之间有什么区别？

　　PWM 转换器是一种 DC/DC 电源转换器架构，使用了固定频率振荡器来驱动电源开关并将能量从输入输送到输出。所用驱动信号的频率是恒定的，但其占空比（功率 FET 导通时间与总开关周期之比）却是变化的。时钟频率是固定的，占空比可根据工作条件进行调整。

　　使用可变频率来驱动 DC-DC 电源转换器中的电源开关的架构称为 PFM，或称“脉冲频率调制”。直接控制驱动信号的频率来调节输出电压。采用恒定导通时间和恒定关断时间控制方式的 DC/DC 转换器就是典型的 PFM 架构实例。

　　电压模式控制

　　图 2 显示了采用电压模式控制的降压型电源转换器。该架构采用了单个电压反馈路径。误差电压比作 PWM 比较器的斜坡，而 PWM 比较器要驱动控制块，以生成 PWM 信号来控制高压侧开关。

图2：采用电压模式控制的降压型电源转换器。（图片来源：Torex）

　　电压模式控制的优点包括：

• 　　对噪声的敏感性少于同等的电流模式控制
• 　　单反馈回路使分析更简单
• 　　可工作在宽输入电压和占空比范围内
• 　　电压模式控制的缺点包括：
• 　　回路增益与 VIN 成正比
• 　　需要复杂的补偿
• 　　响应慢——输出端会感应到输入电压的变化
• 　　必须采取单独的限流

　　图 3 显示了采用电流模式控制的降压型电源转换器。该架构使用两个反馈路径来感应输出电压和电感器电流。

图 3：采用电流模式控制的降压型电源转换器。（图片来源：Torex）

　　电流模式控制的优点包括：

• 　　快速响应线路和负载变化
• 　　更容易补偿
• 　　限流
• 　　简化负载均分
• 　　电流模式控制的缺点包括：
• 　　由于存在两个回路，因此电路分析更加困难
• 　　功率级中的谐振会将噪声引入内部控制回路1
• 　　需要斜坡补偿

　　图 4 显示了采用恒定导通时间 （COT） 控制的降压型电源转换器。在 COT 控制架构中，没有时钟且频率可变。

图 4：采用恒定导通时间控制的降压型电源转换器。（图片来源：Torex）

　　COT 模式控制的优点包括：

• 　　所需的外部组件数量最少
• 　　快速瞬态响应
• 　　不需要补偿
• 　　在宽负载范围条件下均具有出色的效率
• 　　COT 模式控制的缺点包括：
• 　　频率变动
• 　　需要输出纹波抑制
• 　　对输出噪声敏感
• 　　需要过流保护

　　COT 架构的最大缺点是就是频率变动，因为这会在与稳压器相邻的敏感电路中引起电磁干扰 （EMI）。Torex 通过其专有的 HiSAT-COT 控制架构解决了这一缺陷。HiSAT-COT 是能够实现恒定导通时间的高速电路架构的代表。图 5 展示了 COT 与 Torex 的 HiSAT-COT 控制架构的比较。

　　图 5：Torex 的 HiSAT COT 器件与普通 COT 转换器的比较。 （图片来源：Torex）

　　Torex 的第二代 HiSAT-COT 控制架构可提供固定频率操作模式并提高了输出精度。 图 6 显示了典型的 HiSAT-COT 频率变化与负载电流的关系曲线。

图 6：Torex 第一和第二代 Hi-SAT COT 器件的频率变化与负载电流的关系（图片来源：Torex）

　　与市场上的常见 DC-DC 产品相比，HiSAT-COT 控制功能可产生超快速的瞬态响应，如图 7 所示，且不需要外部补偿。当施加负载时，性能提高了约 6 倍，卸除负载时，性能提高了约 9 倍。

图 7：Torex 第二代 HiSAT-COT 与标准 PWM 控制转换器负载瞬态响应比较。（图片来源：Torex）

　　第二代 HiSAT-COT 控制架构还提高了直流输出电压的精度。这是通过出色的温度补偿电压基准电路实现的，因为该电路可实现 +/-1% FB（频率带宽）电压温度精度（图 8）。由于许多 MPU（微处理器单元）负载要求紧输入电压容差，因此需要在低压下保持高电压精度。

图 8：Torex 的第一代和第二代 HiSAT-COT 器件的典型输出电压频率精度。（图片来源：Torex）

　　Torex 最近宣布推出 XC9281/XC9282 这一全新系列 HiSAT-COT 控制架构——超小型 600 mA 降压 DC-DC 转换器。该器件工作采用 2.5 V 至 5.5 V 输入电压，输出电压可在 0.7 V 至 3.6 V 的范围内调节，且仅消耗 11 µA 的静态电流。以 6 MHz 的开关频率工作时，可以使用尺寸为 1.0 x 0.5 mm 的 0.47 µH 电感器。可使用 0.6 x 0.3 mm 的陶瓷电容器作为输入电容 （CIN） 和输出电容 （CL）。使用这些组件时可将包括外围组件在内的安装面积控制在仅为 6.6 mm2。（图 9）

图 9：Torex 的 XC9281/XC9282 器件包括外围组件的安装面积。（图片来源：Torex）

　　表 1 列出了 Torex 的第二代 HiSAT-COT 产品。

　　表 1：Torex 的第二代 HiSAT-COT 产品。（图片来源：Torex）

　　总结

　　对于想要设计负载点电源电路的设计人员来说，现在有了一系列 Torex 产品可供选择。这些器件可在较宽的工作条件下实现更高的能效。HiSAT-COT 系列产品可以工作在高开关频率下并提供超快速瞬态响应，能够通过减小电感器和输出电容器的尺寸来减小整体解决方案的尺寸。

　　参考资料

　　《开关电源拓扑电压模式对电流模式》，作者 Unitrode 的 Robert Mammano，DN-62，1994 年 6 月。