在(zai)要(yao)求(qiu)更(geng)低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)高(gao)電(dian)壓(ya)應(ying)用(yong)中(zhong)，電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)師(shi)一(yi)般(ban)依(yi)賴(lai)於(yu)會(hui)增(zeng)加(jia)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)的(de)模(mo)塊(kuai)，或(huo)者(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)和(he)複(fu)雜(za)性(xing)的(de)兩(liang)級(ji)直(zhi)流(liu)/直流解決方案。本文重點介紹了影響窄導通時間負載點(POL)轉換的趨勢
，並與常用的電流模式控製架構進行了比較。文章討論了具有自適應斜率補償功能的混合穀值電流模式(VCM)架構，包括在一種新型60V同步降壓控製器中的使用，這種控製器能夠在寬範圍的Vin和Vout組合條件和低占空比條件下提供穩定的工作，因此可以實現從48V到1V負載點的直接步降轉換。

 

對窄導通時間負載點轉換的需求

 

降壓轉換器是使用最廣泛的一種電源拓撲，最近的發展趨勢表明，下一代開關kongzhiqibixunenggouzaifeichangxiaodezhankongbitiaojianxiatigongwendinggaoxiaodegongzuo。suirandianliumoshikongzhifangfayudianyamoshikongzhixiangbijuyouxuduoyoushi
，danyecunzaiqujueyuyingyongyaoqiudeyixiezishenxianzhi
，tebieshizaizhankongbixianzhifangmian。

 

一般來說，電信和工業應用中的供電係統都是采用多級轉換電路。還有一種連續供電係統

，其負載點輸入電壓隨著時間變化會從3.3V變到5V再到12V。隨著電源要求的提高，12V電源軌的使用如今很常見

，而3.3V電源軌的使用則越來越少。向更高輸入電壓發展的這一趨勢部分原因是更大的電流導致低壓電路 中發生的I2R(電流到電阻)功率損失和相關問題。

 

最近這一趨勢還在向更高電壓發展
，比如用於工業應用的24V~42V，用於電信的48V。持續的技術進步已使得控製窄脈衝成為可能。與此同時，新的研究表明，更高的輸入電壓可以實現更高的總體效率、更低的係統成本，並通過降低分布路徑的溫度提高係統可靠性。

 

驅動PWM窄脈衝要求的另外一個因素是對更高開關頻率的需求，這將導致更高的功率密度。電源在1MHz開關頻率工作已經很常見。事實上，在汽車信息娛樂應用中，為了避開調幅頻段，這個開關頻率需要超過1.8MHz。1MHz時實現12V至1V電源轉換仍需要產生83ns的脈衝。

 

低占空比工作的局限

 

理想的降壓轉換器可以產生低於Vin的任何電壓，甚至到0V
，然而在實際應用中存在許多限製，比如參考電壓
、內部或外部電路損耗，以及更重要的用於產生控製信號的調製器類型。對於一個特定的輸入電壓來說

，參考電壓是阻止控製器覆蓋從0%到100%整個範圍的最明顯的限製因素。最明顯的是參考電壓：

 

 

這個公式表明
，輸出可以調節到Vref電壓以下。獲得最小Vout的第二個主要限製因素是控製器的最短導通時間。對於一個給定的輸入電壓(Vin)而言
，最小的Vout可以表示為：

 

 

針對給定的開關頻率(Fs)，上側MOSFET的導通時間等於：

 

 

控(kong)製(zhi)器(qi)使(shi)用(yong)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)大(da)部(bu)分(fen)用(yong)於(yu)驅(qu)動(dong)它(ta)能(neng)控(kong)製(zhi)的(de)最(zui)小(xiao)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)。在(zai)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)內(nei)部(bu)的(de)一(yi)些(xie)有(you)意(yi)延(yan)時(shi)，比(bi)如(ru)消(xiao)隱(yin)時(shi)間(jian)，也(ye)會(hui)影(ying)響(xiang)最(zui)小(xiao)導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)。在(zai)典(dian)型(xing)的(de)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)PWM控製器中，PWM脈衝的大小取決於誤差放大器的輸出和電感電流信號，如圖1所示。電流環路檢測電感電流信號，並與VCOMP參考值進行比較，比較結果用於調製PWM脈mai衝chong寬kuan度du。由you於yu電dian流liu環huan路lu會hui強qiang製zhi電dian感gan的de峰feng或huo穀gu電dian流liu跟gen隨sui電dian壓ya誤wu差cha放fang大da器qi輸shu出chu，因yin此ci電dian感gan在zai電dian壓ya控kong製zhi環huan路lu中zhong不bu會hui出chu現xian。對dui電dian壓ya環huan路lu來lai說shuo，雙shuang極ji點dianLC濾波器將變成單電容極點結構。簡單的2類補償足以穩定電壓環路。

 

 

適合窄導通時間工作的調製器

 

fengzhidianliumoshikongzhishizuichangyongdejiagouzhiyi，suirantahenhaolijie，keyitigongjuyouzhuduoyoushidekekaokongzhijishu
，dandangyaoqiuzhaidaotongshijiangongzuoshihuichengxianxianzhudequedian。zaifengzhidianliumoshi，diangandianliuxinxishizaishangceMOSFET上檢測到的。圖2顯示了上側和下側MOSFET中與PWM信號有關的典型電流波形。上側MOSFET的導通事件會由於導通環路中的MOSFET內外存在不同寄生參數而產生顯著的振鈴現象。這種振鈴會向控製電路發送錯誤信號，並錯誤地終止PWM信號。

 

為了解決這個問題
，峰值電流模式開關控製器在檢測電感電流之前會使用消隱時間忽略這個初始振鈴。一般設置的消隱時間是150ns到250ns。這個消隱時間要求不允許峰值電流模式控製器調節非常窄導通時間的電源轉換。在600kHz頻率時，即使是12V到1V的電源轉換也很難調節，這個頻率相當於不到140ns的最小導通時間。

 

穀值電流模式控製

 

另ling外wai一yi種zhong方fang法fa是shi穀gu值zhi電dian流liu模mo式shi控kong製zhi，它ta能neng很hen容rong易yi地di克ke服fu峰feng值zhi電dian流liu模mo式shi控kong製zhi下xia的de消xiao隱yin時shi間jian缺que陷xian。在zai穀gu值zhi電dian流liu模mo式shi控kong製zhi下xia，電dian感gan電dian流liu信xin號hao的de檢jian測ce是shi在zai上shang側ceMOSFET的關斷期間進行的，從而避免了上側MOSFET出現振鈴。這種方法解決了控製很窄導通時間PWM脈衝的問題。不過穀值電流模式也有自身的一些局限。

 

 

穀值電流模式控製有兩個主要問題，即子諧波振蕩和不良的線性調整率。子諧波振蕩是任何電流模式控製方案中 共有的問題。它在峰值電流模式控製中也會發生，不過都是發生在超過50%占空比的時候。對於穀值電流模式來說情況恰恰相反。

 

電流模式控製器(不管是峰模式還是穀模式)中(zhong)的(de)子(zi)諧(xie)波(bo)振(zhen)蕩(dang)可(ke)以(yi)用(yong)斜(xie)率(lv)補(bu)償(chang)加(jia)以(yi)避(bi)免(mian)。然(ran)而(er)，固(gu)定(ding)式(shi)斜(xie)率(lv)補(bu)償(chang)無(wu)法(fa)應(ying)付(fu)所(suo)有(you)占(zhan)空(kong)比(bi)和(he)電(dian)感(gan)。如(ru)果(guo)占(zhan)空(kong)比(bi)遠(yuan)離(li)斜(xie)率(lv)補(bu)償(chang)設(she)計(ji)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)設(she)定(ding)值(zhi)，子(zi)諧(xie)波(bo)振(zhen)蕩(dang)問(wen)題(ti)還(hai)會(hui)發(fa)生(sheng)。

 

峰值電流模式控製

 

另外一種方法是仿真式峰值電流模式控製，它是峰值電流模式的一種變種，可以規避消隱時間限製。通過測量低側MOSFET上的穀電流信息，這種方法可以克服上側MOSFET的振鈴。這個穀電流信息隨後就可以用來仿真電感上衝，進而獲得峰電流信息。

 

yufengzhidianliumoshikongzhizhongdeyiyang，fangzhenshifengzhidianliumoshiyecunzaizixiebozhendangwenti
，xuyaojinxingxielvbuchang。zhegexielvbuchanglaiyuanyufangzhendefengdianliuxinhao。suiranfangzhenshifengzhidianliumoshishejijianjufengdianliumoshiheguzhidianliumoshikongzhifangfadehaochu

，dantayeyouquedian
，zhuyaoyinweikongzhihuanluzhongqueshaodianganxinxi。

 

兼具兩種模式的優點

 

帶(dai)自(zi)適(shi)應(ying)斜(xie)率(lv)補(bu)償(chang)功(gong)能(neng)的(de)穀(gu)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)是(shi)克(ke)服(fu)傳(chuan)統(tong)穀(gu)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)缺(que)點(dian)的(de)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)。經(jing)過(guo)優(you)化(hua)的(de)自(zi)適(shi)應(ying)斜(xie)率(lv)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)在(zai)所(suo)有(you)占(zhan)空(kong)比(bi)條(tiao)件(jian)下(xia)防(fang)止(zhi)出(chu)現(xian)子(zi)諧(xie)波(bo)振(zhen)蕩(dang)。這(zhe)種(zhong)自(zi)適(shi)應(ying)補(bu)償(chang)和(he)低(di)占(zhan)空(kong)比(bi)工(gong)作(zuo)的(de)固(gu)有(you)能(neng)力(li)使(shi)得(de)采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)架(jia)構(gou)的(de)控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)以(yi)工(gong)作(zuo)在(zai)很(hen)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)。

 

Intersil公司的ISL8117降壓控製器采用的就是一種穀值電流模式控製，它具有低側MOSFSET Rdson、穀值電流檢測和自適應斜率補償功能。如圖3所示，ISL8117的(de)斜(xie)波(bo)信(xin)號(hao)能(neng)夠(gou)適(shi)應(ying)施(shi)加(jia)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)
，從(cong)而(er)有(you)效(xiao)地(di)提(ti)高(gao)線(xian)路(lu)調(tiao)整(zheng)率(lv)。其(qi)獨(du)特(te)的(de)穀(gu)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)實(shi)現(xian)和(he)優(you)化(hua)的(de)斜(xie)率(lv)補(bu)償(chang)功(gong)能(neng)克(ke)服(fu)了(le)傳(chuan)統(tong)穀(gu)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)缺(que)點(dian)。ISL8117獨特的控製技術使得它支持很寬範圍的輸入輸出電壓。事實上，ISL8117是電壓模式控製和電流模式控製的一種混合方式，同時擁有兩種調製架構的優點。

 

ISL8117可以在4.5V至60V範圍內的任何電壓下工作，它的輸出可以在0.6V至54V之間調節。它具有100kHz至2000kHz的可調頻率範圍
，可以產生最短40ns的導通時間(典型值)。在40ns最短導通時間時，該控製器可以1.5MHz頻率下從12V總線產生1V輸出。它還能在更低的頻率下從48V電源產生1V供給。圖4顯示了從穩定的48V到1.2V的瞬時轉換。在容易受到特定開關頻率噪聲影響的係統中，ISL8117可以同步到任何外部的頻率源，以減少輻射的係統噪聲和拍頻噪聲。

 

 

借助這種同步降壓控製器，工程師隻需包括MOSFET和無源器件在內的10個元件就能設計出一個完整的直流/直流轉換解決方案，並能取得98%的轉換效率和1.5%的輸出電壓精度。如圖5所示，ISL8117的低引腳數量和版圖友好的引腳架構還能最大限度地減少交叉走線的數量，進一步提高電源性能。

 

 

本文小結

 

每種調製控製模式都有自身的一些局限性
，但最近的創新成果
，比如具有混合穀值電流模式和自適應斜率補償功能的ISL8117 60V降壓控製器，可以用來更加靈活更加方便地設計電源解決方案。ISL8117可以幫助係統設計師去除中間轉換級電路，用更小的體積取得更高的功效，同時降低係統成本
，提高產品的可靠性。

 

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