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作者: Ning Dai，Raphael Horton 在電信和計(jì)算機(jī)行業(yè)的推動(dòng)下，以太網(wǎng)系統(tǒng)不斷增加插槽密度，容量達(dá)到了100Gbps，系統(tǒng)中的專用集成電路 (ASIC)和微處理器則以更高的頻率和更低的電壓運(yùn)行。為了與以太網(wǎng)技術(shù)保持同步，開關(guān)電源必須能在靜態(tài)模式下提供高精度設(shè)定點(diǎn)、低紋波和噪音,同時(shí)能在動(dòng)態(tài)模式下進(jìn)行快速瞬態(tài)響應(yīng)，這反過來又要求在載荷點(diǎn) (POL) 中實(shí)施的控制方案不僅能夠提供上述功能，還要能在具有極低的等效串聯(lián)電阻(ESR)輸出電容和較高輸入輸出電壓比的環(huán)境下正常工作。麥瑞的Hyper Speed Control（超高速控制）架構(gòu)可為微處理器和ASIC提供最佳的POL解決方案。本文闡述了傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)控制與Hyper Speed Control的工作原理并對(duì)比了這兩種控制方案的瞬態(tài)響應(yīng)性能。最后，本文還提供了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以解釋他們的不同之處。 工作原理 麥瑞Hyper Speed Control的獨(dú)特架構(gòu)不僅可實(shí)現(xiàn)超快速瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)還能降低輸出電容，使高輸入∕輸出電壓比(Vin/Vout) 運(yùn)行成為可能。為了闡述該控制機(jī)制，特借用圖1所示的結(jié)構(gòu)圖來說明。如圖1所示，輸出電壓經(jīng)分壓器R1和R2分壓后由反饋引腳FB讀取并通過低增益跨導(dǎo)放大器在誤差比較器上與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF 進(jìn)行比較。如果反饋電壓下降且放大器輸出小于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，誤差比較器將觸動(dòng)控制邏輯，生成一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間周期。導(dǎo)通時(shí)間周期長(zhǎng)度由“固定Ton估計(jì)”電路預(yù)先確定： 
其中，Vout為功率級(jí)輸出電壓，Vin為功率級(jí)輸入電壓，fsw為開關(guān)頻率。 在導(dǎo)通時(shí)間周期結(jié)束后，設(shè)備會(huì)進(jìn)入關(guān)斷周期。此時(shí)，內(nèi)部高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器將關(guān)斷高壓側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器將導(dǎo)通低壓側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。關(guān)斷時(shí)間周期取決于反饋電壓VFB。如果反饋電壓決定的關(guān)斷時(shí)間周期小于控制器內(nèi)部設(shè)計(jì)決定的最小關(guān)斷時(shí)間TOFF(min)，則控制環(huán)路將使用TOFF(min)來維持升壓電容中的能量以驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在反饋電壓的波谷區(qū)，若反饋電壓降至基準(zhǔn)電壓以下，關(guān)斷時(shí)間終止，下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間周期通過控制電路開啟。圖2顯示了轉(zhuǎn)換器的典型波形。
圖1:Hyper Speed Control結(jié)構(gòu)圖
圖2:Hyper Speed Control控制環(huán)路定時(shí)如果反饋電壓低于基準(zhǔn)電壓，則觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間開始。 眾所周知的過渡性占空比調(diào)制轉(zhuǎn)換器具有恒定開關(guān)頻率，該頻率由振蕩器生成。控制開關(guān)狀態(tài)（導(dǎo)通或關(guān)斷）的開關(guān)控制信號(hào)通過對(duì)比控制電壓Vc與重復(fù)（鋸齒）波形產(chǎn)生，如圖 3(a) 所示。控制電壓通常通過放大誤差，即與輸出電壓成正比的反饋電壓與其理想電壓水平（基準(zhǔn)電壓）之間的差異獲得。由PWM控制器中的內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的重復(fù)鋸齒波頻率決定了開關(guān)頻率。當(dāng)放大的誤差信號(hào)大于鋸齒波形時(shí)，開關(guān)控制信號(hào)變高，導(dǎo)致開關(guān)開啟。否則，開關(guān)是斷開的。轉(zhuǎn)換器的占空比可表示如下
其中，D為PWM轉(zhuǎn)換器的占空比，即導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間與開關(guān)時(shí)間周期之比，是可變量；Ts為恒定的開關(guān)周期；Ton為開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。圖3顯示了占空比調(diào)制控制機(jī)構(gòu)與控制環(huán)路定時(shí)的控制原理。
圖3：占空比調(diào)制控制的結(jié)構(gòu)圖與控制定時(shí) 通過研究這兩種不同的控制方案，我們可以看到他們都可在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下以恒定頻率運(yùn)行，但他們使用的導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)不同。Hyper Speed Control依靠?jī)?nèi)部基準(zhǔn)電壓和內(nèi)部導(dǎo)通時(shí)間估計(jì)器控制開關(guān)，而占空比PWM控制則依靠?jī)?nèi)部振蕩器和基準(zhǔn)控制開關(guān)的占空比。因此，Hyper Speed Control憑借其恒定的導(dǎo)通時(shí)間控制，可用于輸入電壓與輸出電壓之比較高的應(yīng)用；而PWM控制具有最低的占空比限制，意味著不適合輸入電壓與輸出電壓之比過高的應(yīng)用。 瞬態(tài)響應(yīng) 在負(fù)載瞬變時(shí)，這兩種控制方案的表現(xiàn)也不同。圖4說明了當(dāng)輸出電流從0增至滿載時(shí)Hyper Speed Control和占空比調(diào)制控制的典型波形。對(duì)于Hyper Speed Control來說，當(dāng)負(fù)載瞬變時(shí)，輸出電壓下降，反饋電壓也隨之下降。但控制環(huán)路偵測(cè)到反饋電壓小于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí)，控制器將立即進(jìn)入最小關(guān)斷時(shí)間（在一個(gè)開關(guān)周期中）以最大程度地減少輸出電壓下降。由于導(dǎo)通時(shí)間恒定，可最大限度地減少關(guān)斷時(shí)間，這意味著轉(zhuǎn)換器能夠以最大導(dǎo)通時(shí)間的高開關(guān)頻率從輸入端向輸出端轉(zhuǎn)移能量。對(duì)于占空比調(diào)制控制而言，在負(fù)載瞬變時(shí)，輸出和反饋電壓下降。然而，由于占空比是由前一個(gè)開關(guān)周期的電壓預(yù)先確定，占空比到下一個(gè)開關(guān)周期才會(huì)增加，
圖4：Hyper Speed Control和PWM控制的瞬態(tài)響應(yīng)典型波形
圖5：具有Hyper Speed Control和占空比調(diào)制控制的轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量結(jié)果 這會(huì)導(dǎo)致電壓大幅下降。圖5顯示了具有 Hyper Speed Control和占空比調(diào)制控制的直流-直流轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量結(jié)果。組建兩個(gè)直流-直流轉(zhuǎn)換器；一個(gè)使用麥瑞超高速控制器MIC2164，另一個(gè)使用占空比調(diào)制PWM控制器。兩個(gè)都具有2.2μH的輸出感應(yīng)器并在同樣的條件下進(jìn)行測(cè)試：12V的輸入電壓，1.5V的 輸出電壓、100μF的輸出電容、瞬時(shí)負(fù)載以 5A/μs的轉(zhuǎn)換速率從0A遞增至5A。具有超高速控制器的轉(zhuǎn)換器的壓降為208mV，而具有傳統(tǒng)占空比調(diào)制控制器的轉(zhuǎn)換器的壓降為244mV，比前者高17% 。為達(dá)到與具有超高速控制器的轉(zhuǎn)換器同樣的壓降，具有占空比調(diào)制控制器的轉(zhuǎn)換器須另外增加47μF的輸出電容。 總結(jié) 本文闡述了Hyper Speed Control和占空比調(diào)制控制的工作原理和機(jī)制，并對(duì)他們?cè)诜�(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的性能進(jìn)行了比較。Hyper Speed Control具有可實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，與占空比調(diào)制控制相比所需輸出電容較少。借助外部紋波注入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于任何類型的輸出電容它能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定；而占空比調(diào)制控制對(duì)輸出電容具有最低的ESR要求，以保證其控制環(huán)路的穩(wěn)定性。因此，它非常適合于輸入電壓與輸出電壓之比較大的應(yīng)用。 |
