Buck轉(zhuǎn)換電路：為何電感電流信號比輸出電壓誤差信號更好控制回路？

　　在Buck轉(zhuǎn)換器中，電感電流信號常常被利用于控制回路中以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，它比輸出電壓誤差信號來得更早，效果也更好。

　　這是電流模式控制系統(tǒng)的示意圖，輸出電壓的取樣信號首先被用來與參考電壓進(jìn)行比較，兩者之間的差異被放大轉(zhuǎn)換為電流信號在RC電路里進(jìn)行累積，由此得到的補(bǔ)償電壓VEA成為電流比較器的參考輸入。電流比較器的另一個輸入是來自上橋開關(guān)的電流信號，這個電流信號會因每個時鐘周期開始時被置位的SR觸發(fā)器的輸出使上橋開關(guān)導(dǎo)通而開始增加，當(dāng)它增加到超過VEA時，SR觸發(fā)器便被復(fù)位，于是上橋截止、下橋?qū)?，電感電流開始下降，電路進(jìn)入等待狀態(tài)，直到下一個周期開始再重復(fù)上述過程。

　　如果輸出電壓的反饋信號與參考電壓相比太低了，誤差放大器的輸出信號便會比較大，VEA便會被推到一個比較高的地方，這樣就給上橋?qū)ㄆ陂g的電流增長留下了比較多的空間，這也意味著上橋?qū)ǖ臅r長會比較長，而由時鐘信號周期所確定的總時長是確定的，留給下橋?qū)ǖ臅r長就會縮短，電感電流在下橋?qū)ㄆ陂g的降低就會比較少，這樣就得到了占空比提升、電感電流均值提升的效果。如果輸出電壓的反饋信號比參考電壓高了，則上述的推理過程就會反過來，最后我們得到的就是輸出電壓被穩(wěn)定在我們希望的水平上的結(jié)果。

　　上圖展示的是電流模式控制回路在穩(wěn)定情況下和負(fù)載出現(xiàn)階躍上升情形下的各點(diǎn)波形圖，從中可以看到誤差放大器的輸出VEA對輸出電流峰值的限制效果。負(fù)載階躍會造成輸出電壓偏離穩(wěn)態(tài)值的結(jié)果，這個偏離會因?yàn)檩敵?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1521588.html">電容的儲能而出現(xiàn)滯后。輸出電壓偏離穩(wěn)態(tài)值的結(jié)果還會通過累積以后才成為VEA，因而由負(fù)載的階躍所帶來的輸出電壓的變化要經(jīng)過一段時間的延遲以后才會反映在電感電流的變化上，這帶來了穩(wěn)定的結(jié)果，同時也導(dǎo)致了響應(yīng)的滯后，我們在得到好處的同時也在承受一定的不足。

　　在COT控制架構(gòu)中，負(fù)載電流的增加直接導(dǎo)致輸出電壓紋波的增加，因?yàn)檫@種電流在流經(jīng)輸出電容的ESR時直接就轉(zhuǎn)換為電壓信號了，而一旦輸出電壓反饋信號低于參考電壓，新的一次上橋?qū)ㄟ^程立即就會發(fā)生，電感電流立即開始增加以彌補(bǔ)輸出電壓的損失，所以COT控制架構(gòu)具有瞬態(tài)響應(yīng)速度快的特性。每次固定時長的導(dǎo)通過程結(jié)束以后，經(jīng)過一個最小化的截止時段，如果電壓反饋信號仍然低于參考電壓，新的一次導(dǎo)通過程就會發(fā)生，這個過程會一直進(jìn)行到電壓反饋信號高于參考電壓為止。輸出電壓的升高是由輸出電容的儲能和流經(jīng)輸出電容ESR的電流紋波造成的，如果輸出電容的ESR變小了，反饋得到的輸出電壓紋波信號就會變小，不恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)通過程就容易發(fā)生，這就出現(xiàn)了不穩(wěn)定的問題，而偏偏現(xiàn)在大量用作輸出電容的陶瓷電容就有這個特性，所以COT架構(gòu)在遇到陶瓷電容以后就出現(xiàn)了問題。立锜科技為了解決這個問題，搞了一個改進(jìn)型的ACOT?控制架構(gòu)，它在COT控制架構(gòu)中插入了一個電感電流模擬裝置，讓它的輸出與反饋信號結(jié)合為一體供比較器使用，相當(dāng)于間接提升了ESR反應(yīng)的電流信號的幅度，取得了改善COT穩(wěn)定性的效果。

　　圖中的PSR便是電感電流信號模擬裝置，它的輸出與反饋信號VFB結(jié)合為一體成為比較器的輸入。PSR不是一個實(shí)際的電流檢測電路，但是具有電流檢測的效果，這也可以看作是一個創(chuàng)新性的舉措。

　　圖中所示的另外一個創(chuàng)新是標(biāo)注為Frequency Locked Loop的設(shè)計(jì)，它的作用是測量實(shí)際的工作頻率，然后與預(yù)設(shè)的工作頻率進(jìn)行比較，借此調(diào)節(jié)單脈沖發(fā)生器的脈沖時長，這個時長也就是上橋的每一次導(dǎo)通的時間長度，最后使整個電路的工作頻率基本保持不變，而原有的COT控制架構(gòu)是無法做到這一點(diǎn)的，它會隨著工作條件的變化而變化。

　　這幅圖顯示的是采用ACOT?控制架構(gòu)的Buck器件在穩(wěn)態(tài)時的工作波形和它在遇到負(fù)載階躍時的響應(yīng)過程。在穩(wěn)態(tài)波形中，我們可以看到反饋信號觸及參考電壓時觸發(fā)導(dǎo)通過程的情況，輸出電壓紋波在其中起了很重要的作用。在階躍響應(yīng)的波形圖中，我們可以看到階躍負(fù)載導(dǎo)致的連續(xù)出現(xiàn)的導(dǎo)通過程對輸出偏差的糾正作用，其表現(xiàn)要比電流模式的表現(xiàn)好許多，一點(diǎn)拖泥帶水的情形都沒有。

　　一種將電流模式的好處和COT模式的好處結(jié)合在一起的做法是被稱為CMCOT的控制架構(gòu)：

　　在此架構(gòu)中，輸出電壓的偏差經(jīng)過誤差放大器轉(zhuǎn)換為參考電壓VEA，這個信號將與取自下橋的電流信號進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)該電流低于VEA，一次固定時長的上橋?qū)ㄟ^程就會被觸發(fā)，這將使得電感電流迅速上升以彌補(bǔ)輸出電壓的下降損失，這樣就既有電流模式穩(wěn)定的特性，又有COT模式快速響應(yīng)的特性，因而導(dǎo)致了一種介于電流模式和COT模式之間的綜合性效果。下圖是穩(wěn)態(tài)模式下CM-COT電路各點(diǎn)的工作波形圖和負(fù)載階躍模式下CM-COT的響應(yīng)過程圖，我們可以看到電感電流的谷值點(diǎn)直接觸發(fā)了上橋的導(dǎo)通過程。

　　每一種控制架構(gòu)都是因?yàn)閼?yīng)用中存在的問題需要解決而誕生的，它們都有自己的特性，有不足，也有優(yōu)勢，了解它們對自己在應(yīng)用中的選型是有幫助的，愿此文能真的有益于你。

?

本文源自?RichtekTechnology

?