三種電源控製拓撲的優劣全解析
發布時間:2014-06-30 責任編輯:echotang
【導讀】電源的拓撲結構有多種,各有所長也各有所短,本篇文章講詳細解析“電壓模式”、“遲滯”和“基於遲滯”等三種主要的電源控製拓撲各有優劣。方便工程師選擇最優方案。
meiyiweidianyuangongchengshidoushuzhibingxuexiguodianyamoshihedianliumoshikongzhizhexiechuantongdekongzhituopu,danquebutailejiejiyuchizhidetuopujiqiyoushi。suiranchunchizhikongzhiduiyuzhuruyiliaohuogongyezidonghuadengtedingyingyongkenengbingbushiyong,ranerxuduobijiaoxindedianyuantuopudoushijiyuchizhide,bingqieyongyouzhizaikefuchunchizhikongzhidequexiandeewaitexing。cileituopubeiyunyongyucongchuliqineihegongdiandaoqichexitongdengguangfanlingyu。
幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)的(de)電(dian)源(yuan)均(jun)是(shi)專(zhuan)為(wei)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)而(er)設(she)計(ji)的(de)。提(ti)供(gong)這(zhe)種(zhong)輸(shu)出(chu)調(tiao)節(jie)功(gong)能(neng)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)閉(bi)環(huan)係(xi)統(tong)和(he)即(ji)將(jiang)被(bei)調(tiao)節(jie)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)的(de)反(fan)饋(kui)。盡(jin)管(guan)有(you)很(hen)多(duo)種(zhong)用(yong)於(yu)對(dui)可(ke)用(yong)反(fan)饋(kui)環(huan)路(lu)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)的(de)不(bu)同(tong)控(kong)製(zhi)拓(tuo)撲(pu),但(dan)它(ta)們(men)通(tong)常(chang)都(dou)可(ke)以(yi)被(bei)歸(gui)為(wei)兩(liang)類(lei):脈寬調製(PWM)或遲滯。在這兩種基本拓撲的基礎上演變出了第三種拓撲,其為此二者的融合:基於遲滯的拓撲。針對不同的應用,這些控製拓撲各有優缺點。
電壓模式控製
脈寬調製(PWM)控製被歸為兩種基本類型:電壓模式和電流模式。為簡單起見,本文隻討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控製。有關電壓模式與電流模式更為詳細的比較,圖1示出了降壓轉換器中電壓模式控製的基本方框圖。

圖1:電壓模式控製包括了誤差放大器、時鍾和內部基準電壓(VREF)
當采用電壓模式控製來調節輸出電壓時,它通過一個連接至其反饋(FB)輸入的阻性分壓器來檢測輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨後將該FB信號與一個高準確度內部基準電壓進行比較。圍繞誤差放大器的環路補償電路負責保持係統的穩定。
電壓模式控製擁有諸多的優勢。通過僅調節輸出電壓和其他良好受控的內部信號(比如:時鍾和內部基準電壓),gaituopujubeifeichangqiangdekangzaoshengnengli。erqietahaixiangdangdijiandanmingle。liyongshurudianyaqiankuibaochilejiandanxing,yizaibuduanbianhuadeshurudianyatiaojianxiaweichihengdingdehuanluzengyi。ciwai,shurudianyaqiankuihaikedafugaishanzhenduixianludianyashunbiandexiangying。zuihou,shizhongshixianle開關頻率的控製,包括使電路同步至一個外部時鍾源的可能性。
電(dian)壓(ya)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)的(de)主(zhu)要(yao)劣(lie)勢(shi)是(shi)必(bi)需(xu)的(de)環(huan)路(lu)補(bu)償(chang)及(ji)對(dui)應(ying)的(de)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)限(xian)製(zhi)。就(jiu)其(qi)本(ben)質(zhi)而(er)言(yan),電(dian)壓(ya)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)在(zai)功(gong)率(lv)級(ji)中(zhong)引(yin)入(ru)了(le)一(yi)個(ge)雙(shuang)極(ji)點(dian),該(gai)雙(shuang)極(ji)點(dian)位(wei)於(yu)輸(shu)出(chu)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)轉(zhuan)折(zhe)頻(pin)率(lv),因(yin)而(er)需(xu)要(yao)在(zai)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)的(de)周(zhou)圍(wei)布(bu)設(she)兩(liang)個(ge)正(zheng)確(que)定(ding)位(wei)的(de)零(ling)點(dian)。由(you)於(yu)該(gai)雙(shuang)極(ji)點(dian)的(de)頻(pin)率(lv)通(tong)常(chang)很(hen)低(di),因(yin)而(er)環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)被(bei)限(xian)製(zhi)在(zai)較(jiao)低(di)的(de)水(shui)平(ping)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia),其(qi)被(bei)限(xian)製(zhi)為(wei)不(bu)超(chao)過(guo)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)1/10。這(zhe)對(dui)電(dian)源(yuan)的(de)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)產(chan)生(sheng)了(le)顯(xian)著(zhu)的(de)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci),設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)來(lai)獲(huo)得(de)更(geng)好(hao)的(de)瞬(shun)態(tai)結(jie)果(guo),從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)升(sheng)高(gao)。
kaolvdaoyishangdelibiquanheng,dianyamoshikongzhirengranshipojujiazhide,youqizainaxieduizaoshengmingandeyingyongzhong。dianyamoshikongzhidegaozaoshengnaishouxingjiqiketongbuzhiyigexitongshizhongdenenglishiqihenshiheyuduizaoshengzuiweimingandeyingyong,liru:醫療和儀表設備等。[page]
遲滯控製
純粹和基本形式的遲滯控製是極其簡單的,所有控製拓撲中最簡單的一種(圖2)。在其端子之間具有某些小遲滯的比較器通過FB輸入將輸出電壓直接與高準確度的內部基準電壓VREF進行比較。

圖2:簡單的遲滯控製拓撲隻需一個比較器和內部VREF
這zhe種zhong直zhi接jie控kong製zhi輸shu出chu電dian壓ya的de優you勢shi在zai於yu控kong製zhi環huan路lu的de速su度du。當dang輸shu出chu電dian壓ya由you於yu瞬shun變bian的de原yuan因yin而er發fa生sheng變bian化hua時shi,控kong製zhi環huan路lu開kai始shi做zuo出chu反fan應ying所suo需xu的de時shi間jian僅jin受shou限xian於yu比bi較jiao器qi和he柵zha極ji驅qu動dong器qi中zhong的de傳chuan播bo延yan遲chi。誤wu差cha信xin號hao不bu必bi穿chuan過guo低di帶dai寬kuan誤wu差cha放fang大da器qi。因yin此ci,遲chi滯zhi拓tuo撲pu是shi速su度du最zui快kuai的de控kong製zhi拓tuo撲pu。
此ci外wai,其qi工gong作zuo原yuan理li的de簡jian單dan性xing還hai使shi其qi能neng在zai無wu需xu任ren何he環huan路lu補bu償chang的de情qing況kuang下xia保bao持chi固gu有you的de穩wen定ding性xing。而er且qie這zhe種zhong簡jian單dan性xing也ye使shi之zhi成cheng為wei一yi種zhong低di成cheng本ben的de拓tuo撲pu。在zai電dian源yuan中zhong沒mei有you需xu要yao設she計ji、構建和測試的振蕩器或誤差放大器。控製開關動作僅需一個基本的比較器即可。
遲chi滯zhi拓tuo撲pu的de主zhu要yao缺que陷xian是shi其qi開kai關guan頻pin率lv變bian化hua。沒mei有you負fu責ze設she定ding開kai關guan頻pin率lv的de時shi鍾zhong或huo同tong步bu信xin號hao。取qu而er代dai之zhi的de是shi,開kai關guan頻pin率lv由you遲chi滯zhi量liang以yi及ji外wai部bu組zu件jian和he工gong作zuo條tiao件jian來lai設she定ding。
當(dang)采(cai)用(yong)純(chun)遲(chi)滯(zhi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)時(shi),預(yu)計(ji)在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)和(he)負(fu)載(zai)範(fan)圍(wei)內(nei)將(jiang)發(fa)生(sheng)很(hen)大(da)的(de)頻(pin)率(lv)變(bian)化(hua)。而(er)且(qie),如(ru)果(guo)不(bu)采(cai)用(yong)一(yi)個(ge)高(gao)增(zeng)益(yi)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)的(de)話(hua),所(suo)實(shi)現(xian)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)DC設定點有可能不如采用電壓模式控製時那麼精準。最後,遲滯控製需要利用輸出電容器中的等效串聯電阻(ESR)。因此,當運用純遲滯拓撲時,一般不能使用ESR極小的陶瓷輸出電容器。
但是,在某些低功率、非常低成本的應用中(比如:玩具),由於此類終端設備的價位非常之低,而且其低功率在遲滯電源的寬開關頻率範圍內產生的電磁幹擾(EMI)水shui平ping很hen低di,因yin此ci遲chi滯zhi轉zhuan換huan器qi也ye許xu是shi可ke以yi接jie受shou的de。另ling外wai,具ju有you非fei常chang嚴yan酷ku之zhi瞬shun變bian的de係xi統tong需xu要yao采cai用yong遲chi滯zhi或huo基ji於yu遲chi滯zhi的de拓tuo撲pu來lai維wei持chi可ke接jie受shou的de輸shu出chu電dian壓ya調tiao節jie。假jia如ru這zhe些xie係xi統tong的de輸shu入ru電dian壓ya、輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)和(he)其(qi)他(ta)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)處(chu)於(yu)良(liang)好(hao)受(shou)控(kong)的(de)狀(zhuang)態(tai),則(ze)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)被(bei)保(bao)持(chi)在(zai)一(yi)個(ge)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)。這(zhe)使(shi)得(de)遲(chi)滯(zhi)控(kong)製(zhi)成(cheng)為(wei)那(na)些(xie)依(yi)靠(kao)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)運(yun)作(zuo)並(bing)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)固(gu)定(ding)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)應(ying)用(yong)的(de)有(you)效(xiao)選(xuan)擇(ze)。
基於遲滯的控製
許多控製拓撲從根本上說都是遲滯的,但其包含了其他旨在克服頻率變化和其他純遲滯拓撲局限性的電路。例如,它們包括D-CAP、D-CAP2、COT、具有ERM的COT和DCS-Control拓撲。本文僅分析和比較DCS-Control4及相似器件。
根本上說,DCS-Control(采用至節能模式的無縫轉換的直接控製)是一種遲滯拓撲,但其融合了電壓模式和電流模式的某些特性(圖3)。和在電壓模式控製中一樣,遲滯比較器將一個誤差放大器的輸出與一個鋸齒波形進行比較。

圖3:在基於遲滯的DCS-Control拓撲中,誤差放大器和內部VREF與電壓模式控製中的相同,而遲滯比較器則取自遲滯拓撲。導通定時器(ontimer)是基於遲滯的拓撲所特有的
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該鋸齒波並非產生自某個時鍾,而是通過一個與輸出電壓直接相連的特殊電路產生在VOS輸入引腳上。實質上,遲滯比較器仍然具有一個通過該VOS引腳至輸出電壓的直接連接,並接入了一個高增益誤差放大器以提供非常優良的輸出電壓設定點準確度。
除了將取自遲滯和電壓模式拓撲的遲滯比較器與誤差放大器加以組合之外,DCS-Control還運用了一種導通時間電路以控製開關頻率。最後,內置了必需的環路補償功能電路以實現穩定性。
DCS-Control的主要優點是可保持遲滯轉換器非常快的瞬態響應以及電壓模式轉換器的輸出電壓準確度,同時克服了這兩種拓撲其他的關鍵缺陷,即:緩慢的響應時間、有限的控製環路帶寬和頻率變化。
由於VOS引(yin)腳(jiao)提(ti)供(gong)了(le)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)直(zhi)接(jie)控(kong)製(zhi),因(yin)此(ci)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)任(ren)何(he)變(bian)化(hua)都(dou)將(jiang)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)傳(chuan)播(bo),而(er)不(bu)會(hui)受(shou)到(dao)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)帶(dai)寬(kuan)的(de)限(xian)製(zhi)。這(zhe)將(jiang)大(da)大(da)加(jia)快(kuai)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)。
就目前的DCS-Controlshishifanganeryan,qizhuyaoquedianshiwufatongbuzhiyigeshizhong。zuoweiyizhongjiyuchizhidetuopu,qibingweitigongshizhongshuruxinhao,ershitigongleyigezaigezhonggongzuotiaojianxiabianhuajixiaodeshoukongkaiguanpinlv。zaimouxiechanghezhong,gaibianhuaxiaoyudianyamoshizhuanhuanqideshizhongpinlvrongcha。
諸如DCS-Controldengjiyuchizhidetuopuqizuijiadeshiyongchangheshinaxiehuizaoyudadeshunbianbingxuyaojigaoshuchudianyazhunquedudeyingyong。cileiyingyongbaokuoweiqianrushihuojisuanxitongzhongdechuliqineihegongdian,yijigongyezidonghuaheqichexinxiyulexitong。
結論
對於不同的應用,“電壓模式”、“遲滯”和“基於遲滯”等deng三san種zhong主zhu要yao的de電dian源yuan控kong製zhi拓tuo撲pu各ge有you優you劣lie。雖sui然ran大da多duo數shu電dian源yuan工gong程cheng師shi都dou習xi慣guan並bing樂le於yu使shi用yong電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi,但dan遲chi滯zhi和he基ji於yu遲chi滯zhi的de拓tuo撲pu卻que能neng提ti供gong同tong類lei最zui佳jia的de瞬shun態tai響xiang應ying,而er且qie應ying當dang就jiu諸zhu如ru處chu理li器qi內nei核he供gong電dian等deng需xu要yao這zhe種zhong快kuai速su響xiang應ying速su度du的de應ying用yong對dui其qi做zuo深shen入ru探tan究jiu。由you於yu每mei種zhong控kong製zhi拓tuo撲pu都dou有you數shu量liang極ji為wei龐pang大da的de設she備bei在zai使shi用yong,因yin此ci意yi味wei著zhe對dui於yu幾ji乎hu所suo有you的de應ying用yong而er言yan都dou很hen可ke能neng有you一yi種zhong最zui優you的de電dian源yuan解jie決jue方fang案an。
無wu論lun哪na一yi種zhong電dian源yuan的de拓tuo撲pu結jie構gou都dou有you優you勢shi和he劣lie勢shi,熟shu知zhi每mei一yi種zhong拓tuo撲pu結jie構gou的de應ying用yong領ling域yu會hui幫bang助zhu工gong程cheng師shi在zai不bu同tong的de領ling域yu選xuan擇ze不bu同tong的de方fang案an,提ti高gao效xiao率lv,節jie約yue成cheng本ben。
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