開關(guān)模式電源的建模和環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)
谷值電流模式控制器產(chǎn)生受控 FET 接通時(shí)間，并一直等待直到電感器谷值電流達(dá)到其谷值限制 (VITH) 以才再次接通控制 FET。因此，電源可以在控制 FET 的 TOFF 時(shí)間響應(yīng)負(fù)載升高瞬態(tài)。此外，既然接通時(shí)間是固定的，那么控制 FET 的 TON_min 可以比峰值電流模式控制時(shí)短，以允許更高的 fSW，實(shí)現(xiàn)高降壓比應(yīng)用。谷值電流模式控制不需要額外的斜率補(bǔ)償就能實(shí)現(xiàn)電流環(huán)路穩(wěn)定性。然而，使用谷值電流模式控制時(shí)，因?yàn)樵试S開關(guān)周期 TS 變化，所以在示波器上，開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形可能出現(xiàn)更大的抖動(dòng)。LTC3833 和 LTC3838 是典型的谷值電流模式控制器。
為具備閉合電流環(huán)路的新功率級(jí)建模
圖 19 顯示，通過僅將電感器作為受放大器 ITH 引腳電壓
控制的電流源，產(chǎn)生了一個(gè)簡(jiǎn)化、具內(nèi)部電流環(huán)路的降壓型轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的一階模型。類似方法也可用于其他具電感器電流模式控制的拓?fù)�。這個(gè)簡(jiǎn)單的模型有多好? 圖 20 顯示了該一階模型和一個(gè)更復(fù)雜但準(zhǔn)確的模型之間轉(zhuǎn)移函數(shù) GCV(s) = vOUT/vC 的比較結(jié)果。這是一個(gè)以 500kHz 開關(guān)頻率運(yùn)行的電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器。在這個(gè)例子中，一階模型直到 10kHz 都是準(zhǔn)確的，約為開關(guān)頻率 fSW 的 1/50。之后，一階模型的相位曲線就不再準(zhǔn)確了。因此這個(gè)簡(jiǎn)化的模型僅對(duì)于帶寬較小的設(shè)計(jì)才好用。
圖 19：電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)單一階模型
圖 20：電流模式降壓型轉(zhuǎn)換器的一階模型和準(zhǔn)確模型之間的 GCV(s) 比較
實(shí)際上，針對(duì)電流模式轉(zhuǎn)換器，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)開發(fā)一個(gè)準(zhǔn)確的小信號(hào)模型相當(dāng)復(fù)雜。R. Ridley的電流模式模型 [3] 在電源行業(yè)是最流行的一種模型，用于峰值電流模式和谷值電流模式控制。最近，Jian Li 為電流模式控制開發(fā)了一種更加直觀的電路模型 [4]，該模型也可用于其他電流模式控制方法。為了簡(jiǎn)便易用，LTpowerCAD 設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)了這些準(zhǔn)確模型，因此，即使一位經(jīng)驗(yàn)不足的用戶，對(duì) Ridley 或 Jian Li 的模型沒有太多了解，也可以非常容易地設(shè)計(jì)一個(gè)電流模式電源。
電流模式轉(zhuǎn)換器的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)
在圖 16 和圖 21 中，具閉合電流環(huán)路的功率級(jí) Gcv(s) 由功率級(jí)組件的選擇決定，主要由電源的 DC 規(guī)格 / 性能決定。外部電壓環(huán)路增益 T(s) = GCV(s) • A(s) • KREF(s) 因此由電壓反饋級(jí) KREF(s) 和補(bǔ)償級(jí) A(s) 決定。這兩個(gè)級(jí)的設(shè)計(jì)將極大地決定電源的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。
圖 21：反饋環(huán)路設(shè)計(jì)的控制方框圖
總之，閉合電壓環(huán)路 T(s) 的性能由兩個(gè)重要參數(shù)決定：環(huán)路帶寬和環(huán)路穩(wěn)定性裕度。環(huán)路帶寬由交叉頻率 fC 量化，在這一頻點(diǎn)上，環(huán)路增益 T(s) 等于1 (0dB)。環(huán)路穩(wěn)定性裕度一般由相位裕度或增益裕度量化。環(huán)路相位裕度
的定義是在交叉頻率點(diǎn)上總體 T(s) 相位延遲和 –180° 之差。通常需要 45° 或 60° 最小相位裕度以確保穩(wěn)定性。對(duì)于電流模式控制而言，為了衰減電流環(huán)路中的開關(guān)噪聲，環(huán)路增益裕度定義為在 ½ • fSW 處的衰減。一般而言，希望在 ½ • fSW 處有最小 8dB 衰減 (-8dB 環(huán)路增益)。
選擇想要的電壓環(huán)路交叉頻率 fC
更大的帶寬有助于實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。不過，增大帶寬通常會(huì)降低穩(wěn)定性裕度，使控制環(huán)路對(duì)開關(guān)噪聲更加敏感。一個(gè)最佳設(shè)計(jì)通常在帶寬 (瞬態(tài)響應(yīng)) 和穩(wěn)定性裕度之間實(shí)現(xiàn)了良好的平衡。實(shí)際上，電流模式控制還通過在 1/2 • fSW 處電流信號(hào)的采樣效應(yīng) [3]，而引入了一對(duì)雙極點(diǎn)
。這些雙極點(diǎn)在 ½ • fSW 附近引入了不想要的相位延遲。一般而言，要獲得充足的相位裕度并充分衰減 PCB 噪聲，交叉頻率就要選為低于相位開關(guān)頻率 fSW 的 1/10 至 1/6。
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