揭秘滞环模式转换器:电压和电流模式控制
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t eatures 专题特写:电源 揭秘滞环模式转换器:电压和电流 模式控制 德帅 端酾 秉统丑程师fWiasa ̄hi 0g目 r比较1 川的操作侵 .f1 供大信 ‘微扰,fli此 下,电路系 ,E【 1 I nJ‘以行j lJ,输}l{ 流卜:『I 式的 块(I V M) 仃·个 统的偏 点也八 ^1心 竖。当偏 点… l}IJ, 川i信 }}1 (II J}l: I巷I j); }U J }证J (v M)I :I C V M;以 现移化 ,他1 A c rl ̄tJ ,kj 输…}也流下降I{If,1 川,价 lI现(川 搜·个I 流f诞式(C M)I 箭.此l 了。 绿包 出)。 衙订 补 ,分圳为】C C M卡¨I C 实际J ,儿 研 r疗 降 转换 这些测量 使…rf ̄,d30 z1 S All9快 C M ;j 仃f EV M} n0滞 :f炎 数据表J:的仃!载峤变lIIj线昔I:足人信 述崎 竖。 此,输…l 流的波形 l 衙:1 c¨M。表1总结l电fJJ J r4-l— 峤变。毫无艇 ,人 。瞬变 J . 洚沿¨1现丁- :的欠波(… I M rl'J 懈。 稳压器下 。} f fII l 冲电 能的卜 ; I奄JlLI1),女¨【冬I 1研,J 。 幻r j韭·步对比,此处准衔r 要于段。 『 J1-) lj!啐i的第2个 .1 C 图l 一个波 示例,这个 例 CM2 ‘仇裁断变响』- 。 代表丁对比 个波肜I冬1混合的犬 · m苍的性能项l I址人 债裁断变分析。 仉拔忻 性能。退 找…所说 ·输入电J K:5V.lil】2V。 的人价 ’的意思足 j小 0 卡I1刈。小 ·饥载岍变振 :5()【)I1]A~ f^ ‘岍变,帧色 艾,他川的址小f 5A,50~500mA。 ‘i敞扰. jI打衫A C—H:d ̄iI ̄1 :,If!= ≠.女[ _·输…电容: 1中默 吱胃 ;慢j‘ l笔『手1l …1 i; {亢。夫f 。i。 ‘瞬, I1J ̄'L-- }1000 lF。 图1大信号负载瞬变响应波形图示例 太I I(、设备埘比丧 村压q寰 蠡 电流模式 滞翻肆荬式 :}l审ll 】C VM IC·CM 。】C—C l2 lC l_】M J坎式 i |『 f式 八【 ¨ M l峰 电流 制 1]C烈I,! 制 峨交jI 型… 类型I1 部波纹 入 输八} t,i ̄'gt1 4.5~il[1V 4.5~l7V 4.5~l V 破太 【l” 流 6A 6A 6,i f fI!llJ T 26n] j( 成) 26m ( 成) 36l11 L ( 成) f氏Ll!,Il!lIll I r 1 3m 』(椠成) 1 9111 j( 成) 28m L (集成1 电蝴 6¨(I1 l_ I,633k1 Iz 1.!M1-Iz nH8k11 } 感 1}I I-I l 3.3 LI Il l3 3 Ll I_I 1.5 Ll ll 输 容 "一tq lf 5 l啪瓷) 10(】 l F× (陶瓷) 22O l1 (丰¨) ::}}r !【陶瓷1 j C()【 ’.j 按频率 l5. k}f l6.20kI-iz 5.91kHz 】9,-6kl【Z 输 电客 ’为消除输&lq1.{丸对测量数据的影响.旁路I 容的宽频范 :附与 扳边迎接。 WWW epc.cot]].cn 20 牟’ 髓 今日电子 专题特写:电源 瑟疆蕊 互 譬 蕊霹圆避艘圈 Features 初步对比结果 化。…J 仃滞环恢式转换器, 埘电 路 ,Jl能川J 给输{t1IU容器允I 。 比较r500m人~5A瞬变以及 感 流l 计的响应速度几乎达到丁物 在 l中,IC IIM的输{lI电 址小, 返【『l1刮500m A后, 5v. ̄u12V车俞入电 设定l 的I C VM、I C—CM IC II M。 椒 。(rv M币l】CM转换器中,这 Ⅱ 转换 通过 个步骤进行工作。 ‘ ,因此,IC HM的}54, 一也破姒。5j 方 ,IC VM的} 感 小, 此j 示的I lIfl’ 最 j。 21)和12c足J划2a中波形 的放 改变控制信号,这是误差信 II放 人。 图2a输出电压截图:不同控制模式下的大 信号负载瞬变 ] 冲信号 1) IlI 10 F川,f ’ J捉爪J 挖带4 IU路【lJ。以以多快119速度响应输…电流 l10 f匕。f1 q,r4- 一个 ·lIJ信 峰f Jf的呔 ,也 =}:{ 动感应电流,使,2超过 仉绒I乜流,衄fl{的}U流Jl:始州供至输 …I 容器,川II,ff0- -Zl1lx负载电流。住 J! l1.Ic 1IM L'l ̄lC VM干¨IC CM虹 1 地 lJ达l 『} f.’ i 1呔 lj,从 i找 最 I'jIqfd J;Z述幢。 “1 fl If I 川I f J i ‘¨·J,输1 l5【乜 ≠ 会… l0¨ 的振幅减弱功能,此时输 …IU流(COU T)越人,电压下降幅 J芝圳越小。f1 川I,I C H M的输 ftlI 小剁I C V M的 ,也不列 I C CM(19[I4分之·。仉是,I C HM n,Jl Jt 】 降f“上口 i C VM和I C CM 十姜近。达址}IlJ:滞环模式转换器可 以以椒d,I]9电路延迟Ill ̄]E各种1=fl载变 今B电子‘2016年¨舟 www.epc corn cn Llu的输…;然J ,控制信 改变输 上 Ijf I, If 为 ·个I峰f“之J }l川永冲仉绒 II强度。总的来 , 川 会I百l U] 【J}l书.q-、 /r ̄-J …I 』I ,这J互llI r 8- 仉哉币II‘ n勺 变相比滞 :f;l 转换 箭的十f1他} :II.。l C V M I , lJ 器,j JJ 述J奠 ,l I,l 多。 应(厄 1、IIl ̄fl [), 址IC CMflI j 2c十¨似,I C V M埘输入I乜 I C I1 M圳 爪fl『『I 火 fl;分 】』 1jlif1 ]1j1 l 流均 l】…j、 。1 C C Ml羊lI f“。达ij llJ】1 C V M{1l】f J‘l匕1 C C M平l1 lC HM圳…J: ̄lllh] , 2 示 I C—l J M更好fl ̄J}lf } 1 1 4。 !c所 l,19 r5八输…I 流…‘的卡¨他 i t.。 地5()0mA i}¨I I 十¨f f备 l}。 电压、电流和滞环模式启示 1 I 帙式^'i,J 在 2{)lf·,IlI】 lU I的 碛结 fjJ^,1 C V M波 儿 。 ·个 易摸拟馍, ( 术 爪) 峡, 图2b输出电压截图:下冲细节图 /f 管输入_乜』l P 输…I也流的 圳,i发 VM设备的结构 食 十0fII 圳 0‘ 上冲信号 V C(j i 芳放人 的输¨{)十IlIli】 ll0I1J.1J J f i,t·动作( 2c),波彤 成,川·VC J J,刊 求十fl…i的输fIIl ti I冬】的 ·个峰 …l也感器肢8-I也扳 响应。 l,19输…I 容 决定,In 转换搽I C决 当多电 4九一 他Jl¨· 】· I I I1‘ 定。 14_俞H 5 lU流炎然1 降 低他lflf, I】.f,VM设衙址·个 女ft'i<3选忤。【lIJ他 r{ IU感:{{:【fJ的能毓没有其他输ft{ 焚 III校 波汁化赞·定figll· IJ . 是·旦完成 个l 汁J 一f,它_lJ’以 旭 更宽的输人【 JI I 运f ,许lI_州仃 相 的响应行为。 2 I 流帙式观察 从 I 2b 察刮的·个仃趣现象 ㈦ l…li、 是,输}{J电 达j…lb;lff[ _J1i『,5V输 图2c输出电压截图:m2 ̄_L;O信g- ̄-m:FN Xfl',JIC CM波形,1,f :i:llf,}l ‘条¨:f Features ———■霸鞠懿 ●■—冒糊—嘲擞糟■一 。誊籀≥; 褥 《 醺黼 篓蜷赫 蔷雾擎黜 一 扩 謇 麟 瑚随 臻 嘲置 疆●■■■● …埘 ! 出现响应。此响应由其内部电流回路 为电感电流缓慢增加,输出电容放电 造成。由f像IC VM或Ic HM这样 量比12V输入条件下的放电量更多。 的单回路控制,当输出电压返至其目 使用l000 F输出电容时,所有控 制模式均显示较低的响应度,原因是 输出电压比较器以最大频率持续驱动 L C滤波器的截止频率较低。请注意, 输出脉冲,直到输出电压又返至目标 图3中的X轴THY ̄d]的刻度与图2不同, 标值时,通常会发生响应。 内部电流回路响应就是这样发生 值。当输出电压达到目标时,电感电 图3表示更大的电容抑制下坩-信号量 的。当下冲信号启动时,V 要求迅速 流实际上已经过高了(与12V输入情 (如所预期)。 图3显示,与IC VM,HIC—CM改 增加电感电流。由于I C CM为峰值 况相比)且输出电容器充入了过度的 电流模式设备,该设备在电感电流达 高电感电流。善相比,IC—l‘l M下冲信号量(幅度) 的改善更加显著。 请注意,1000 F电容器被焊接安 装在IC—CM*HIC—HM上,而1000 F 到一个新的V 日标之前一直会保持接 通。因为电感电流转换率是输入电压 输出电容和电流差 的函数(如等式1),显然,与12v输 1输出电容差 入电压曲线相比,5v输入电压曲线需 要更多的时间来达到新的V : dlI/_dL=(VIN VOUT)/L 在理想情况下,在完成环路校正 电容器毗0通过导线连接在I C—V M上, M存在空间限制。由f 设计后不得改变输出电容值,原因在 原因在于EV F冲信号刚开始时, (1) 于,回路稳定性设计是输出电容值的 导线的存在,_ C VM波形出现了小故障。这些故障 由于它需要更长的时间来达到目 直接函数。在实际应用中,输出电容 I标V 当输出电压下降更大时,误差 有增加的趋势。例如,最终功率调节 是由导线电感引起的。器模块与数字处理器模块桐结合,便 放大器实际上进一步驱动V 的升高。 2输,'ilJ,流差 图4t'.15较了两种不 的大信号负载 这将导致在下冲信号事件中达到V 之 获得海量的旁路电容器。因此,l000 前产生过多的电感电流;这种高V 情 况会导致响应的发生。 即使5V出现响应,而l2V出现平 稳F#rt,信号,误差放大器端的校正电 p-F输出电容的情况模拟了增加输出电 瞬变。容器的情形。 A 5 0 0 In A~5 A,再回 lJ 500mA。 B在5V输入条件下,从50mA~ 500mA,再凹到50mA,仪显示了下 冲信号活动。 请注意,部分波形表示4 1.t s分位 路是相同的。用一个简易且理想的仿 真摸型(结果未显示)说明,5V下冲 信号曲线和12V曲线遵循相同的目标 路径。 r 8"s 时间刻度内2.5周期循环的切换波纹, 图3不同输出电容器情况下的大信号负载 3滞环模式 示 rf 图2b所示,5V输入的IC HM波 瞬变COL,形出现响应。与I C—C M的情况不同, 图3表示,在每个电路板装有】000 F输出电容器的情况下, ̄isv,n 12V 输入时,大信号负载瞬变从500mA~ 触发该I C H M响应的原因是输出电压 返至目标值。 5V输入条件下的剧烈响应类似 5A,再 ̄U500mA的比较情况。于等式1所示I C CM的情况,即更小 为避免重复相同的指令,图3仅显 图4在不同输出电流瞬态情况下的大信号 负载瞬变 中信号活动。 的输入电压限制电感电流的变化。因 示了每块电路板上的下?www.epc.com.crl·2016年"月 夸日毫予 ∥ 52 l I Features 这并非响应。 或脉冲密度的变化比较小;因此,所 HM,只是具有200 F的电容。 图4中,在50~500m A瞬态电 有这3种控制模式的瞬态响应变慢。为了匹配I c ftM的速度,I C 流肢500Ill A~5A的瞬态电流条件 1000 F IC vM的负载变化小得几乎 C M2具有非常快速的开关频率,带极 下,IC VM稳定性良好,lC CM和 可以忽略。 l C H M也在高瞬态电流和低瞬态电流 条f't:I 现响应。I{{十输 电流等级 长极宽的控制回路带宽。由下这种设 ·I C H M存在由最小关闭 置,陶瓷型电容器无法稳定运行。如 (0FF)时 设置导致的脉冲密度限 第l部分q1所述,I C C M2板拥有保持 不会改变瞬态响应,因此,这 结果 值,最小关闭(0FF)时间防止电感 最终稳定的方法:利用钽电容器以确 是预料之中的。 器…现饱和状态。但,『芏这3种控制模式 保稳定。由于使片】了钽电容器,等效 I}I,IC HM仍然响应最快。 串联电]II ̄(ESR)会非常火,而H上冲和 下冲信号也会更差。 负载瞬态时的负载(脉冲密度)变化 图5表示已在前面的小节完成审核 更快调制l C—C M/用更弱的下冲信号 的相同大信号负载瞬变,同时标志有 调制IC-CM ,F关节点脉冲及其平均值。滚动平均 这些大信号负载瞬变对比表明, 方程计算开关节点脉冲密度的负载信 1 C—HM的响应速度最快,但上冲和下 号。图5a使用默认输出电容设置,图 冲信号也最大。 l”J 日【4uS dlv 5b有1 F电容。注意,图5有/f 同的 时阳】和电日 亥0度。 要更详细地r解评估电路板状 图6a修改后的CM电路板,更快的瞬变响应 况,还需进行两项附加实验: 图6a对比了IC CM2{[IIC HM。 医圉 蚕 雾 二]I 2 二 二 ‘… 自h…二 翟 cu女■一 ’5W。一-ICI-鼬 ·修改I C C M,使其具有和 而图6b对比了IC l{M(200“F)平口 IC CM。 IC—HMSHI ̄I的更快的响应水平。这是 IC CM2。为此,我重新设计了I C— 往图6a中,lC HM波形与图2(b) CM2的回路校正,并增加了其开关频 相比无变化。I C C M2的瞬变响应如 预期的比I C lIM快得多,但代价是稳 率(见表1)。 图5a具有脉冲密度波形的大信号负载瞬 变:默认输出电容 ·修改I C—H M,使其拥有 定性较低。市场1:有很多CM转换器设 200 u F的输出电容器,与IC—CM相 备可以以兆赫的肝关频率运行。但很 比较 5,可确定: 同。由于使用了内部波纹注入设计, 难找到一种控制带很宽同时又能保持 ·I c V M和I C C M与l永冲宽 除了更换输出电容器外,电路板没有 度渊制(I w M)控制}办同操作。 IC t{M正在改变其常开(0N)脉冲 频率。 ·C HM比IC VM更快地政变其 频率,也比I C CM更快改变其负载。 这就是I c卜l M显示更快瞬态响应的原 因。 一变化。因此该电路板板仍被称为I C一 Jc 。’ .1 mF一'n~}c(M jC h I m}一¨F IC HM } { £ It‘-F ’n 一CⅥ SW}mF—{SW 1 mF K HM SW 1 mF 一ibrfil 4us;div 图5b带脉冲密度波形的大信号负载瞬 ·通过更大的输出电容器,负载 变:1“F输出电容 图6b修改后的CM电路板:200 I F输出电容 的滞环模式电路板 今日电子‘2016fgl1月-www,epc.corn.cn Features 其稳定性的转换器I C。虽然未在本文 析不同,这个线路瞬变分析中得到的 比效率曲线的绝对值并没有意义。在 中显示,但Ic—cM2在输出电流较低 观察寥寥无几。 时,即使使用钽电容器仍会发生稳定 性降低的情况。 图7显示了1.5A输出电流的5~ 这里,我们通过观察IC CM和1 C C M2之间的差异来查看增加开关频率 6V瞬变波形,你可以清楚地看到控制 的影响。图8比较了IC CM和IC—CM2;这 对l C C M2使用更高的开关频 模式的差异。对于该分析,线路瞬变  ̄[11.2MHz 率,会由于增加丁开关和栅极驱动 速度大约为lV/ S。由于是高速功 两个电路板分别具有633kHz;损失,而自动降低其转换效率。我将 率放大器产生了瞬变,闲此放大器可 的开关频率。IC CM2清楚地显示了不 在本文后面部分讨论转换效率的问 驱动的电容负载受到限制。鉴于这一 断增加的栅极驱动损耗的影响。即便 题。l在这里,和电流模式相反,滞环 限制,每个板的输入电容器被降低到 I C—C M2可以实现非常快速的瞬变响 的减小) 模式转换的魅力在于它的脉冲频率调 0.1 F;因此图7的输入电压波形中出 应,这也是以效率和稳定性(制(P F M)运行,只有在瞬变活动时开 现了严重的尖峰噪声。 为代价的(如前文所述)。 总结各控制模式的瞬变响应性能 如下。 关才会变得更快。请注意,改变频率 并非总是好事,因为它会增加噪声。 如图6b所示,使用200 F输出 电压模式控制: ·大范围参数变化的响应均一 致。 ·与CM或者I {M相比,响应相对 4fQg ̄Jeilv 电容器的波形代替了图2b的IC HM 波形。与IC VM或IC—CM相比,带 200 F电容器的IC HM波形拥有优异 的瞬变性能,更小的下冲幅度和更短 图7线路瞬变响应 的下冲周期。 图7证实: 较慢。 ·与CM或HM相比,振铃次数更 IC HM由于无债载(密度)控 少。线路瞬变响应 制,与大信号负载瞬变部分中相同, 电流模式控制: ·响应速度介干VM ̄IJI-tM之间。 在检查线路瞬变响应性能波形 拥有极佳线路瞬变响应。时,线路瞬变对比使用了以下波形组 合: I C C M拥有第二好的线路瞬变响 ·由电流回路引起的振铃。 迟滞模式控制: ·响应速度比VM或CM更快。 应性能,但与最后一位的1 C—V M并无 显著差异。I C—VM ̄[II C—C M均表现 出10mV的线路瞬变过冲和下冲距离刻 度。 ·输出电流:5 A、1.5 A、 500mA、50mA。 ·在任何瞬变活动下开关频率都 会改变。 ·线路瞬变幅度:5~6V和12~ l3V。 此处并未显示所有波形,但 C HM在参与分析的所有组合中表现 ·输出电容器:表3默认设置脉冲 Il000 F。 出更好的线路瞬变性能。 为了获得一个输出电压条件下的 明显响应,我把线路瞬变幅度设置为 功率转换效率 l V阶,这意味着这是一组大信号测量 让我们简要回顾一下功率转换效 毓0电tiuut A 值。和前一节中的大信号负载瞬变分 率。因为它不是同类别比较,因此对 图8不同开关频率的效率曲线固置 www.epc.corgi.cn-20t6f ̄11月‘今B电子