更高的灵活性可改进单片降压稳压器设计

　　许多老版本的单片降压型开关稳压器都集成了片上反馈环路补偿电路。尽管这种方法可以简化设计过程，但它通常并不支持对环路动态响应进行优化。因此就需要选择合适的功率元件以满足相应的反馈要求(通常并非最理想的方式)。例如，特定稳压器可能要求用户在给定的范围内选择电感和输出电容值，从而使LC双极点频率处于反馈补偿器的双零点位置。这样做虽然能够获得稳定环路，但是无法达到最适合功率通道要求。解决这一问题的方法是用外部由用户选择的环路补偿。但是，对于新手来讲，这可能会带来问题，因为其反馈环路是很难进行补偿的。于是，电流模式控制作为一种创新技术最初于80年代被提出。这种控制方案将输出滤波器降低了一阶，使其成为一阶系统，从而大大简化了环路补偿任务。然而，难遂人愿的是，电流模式控制技术也并非万能，噪声敏感度就是困扰它的一个主要问题。

　
图1  ECM工作原理图

　　最近我们成功开发出一个被称为模拟电流模式控制 (ECM) 的电流模式控制版本。它大大增强了高步降率情况下的性能，同时具有良好的噪声抑制特性。由于输入电压范围高达75V，因此 ECM 在很多高输入电压应用场合都具有显著的设计裕量，同时它还能够产生当今数字电路所使用的各种输出电压。环路补偿也相对简单，从用户角度讲，现有辅助设计软件进一步使设计工作量变得微不足道。

传统的电流模式

　　那么，电流模式控制是如何工作的呢？很多人试图用复杂的数学来解释电流模式控制的工作机理。但是笔者始终认为，如果你不得不借助数学来解释某件事物，本身就表明你并不理解它。因此让我们尝试用一种简单和直观的方法去理解电流模式控制技术。

　
图2  测量图

　　电流模式的基本原理是：首先将功率级转化成电流源，然后从误差放大器得到它的指令电流水平。误差放大器观察输出电压，根据输出电压与理想值的偏差改变电流指令。通常控制电感电流的方法是测量电流，当电流到达期望水平时关闭高端场效应管(控制FET)。从输出滤波器(由并联的电容和负载电阻构成)的角度看，电感类似于一个受控电流源。误差放大器输出的任何小信号偏差将产生一个流经电感的小信号电流偏差。这些小信号电流偏差流经输出滤波器网络的电阻，在输出端产生一个小信号电压偏差。因为输出RC滤波器是一个单阶系统，控制信号到输出小信号响应的传递函数(也称作受控增益)也是单阶的。这使得系统很容易到达稳定状态。

　
图3  大负载的阶跃性能

ECM

　　大多数传统电流模式稳压器通过观察控制FET的通态电流来测量电感电流。但是，在重新开启控制FET之前，ECM首先测量续流二极管中的电流(图1)。然后该信息被采样保持电路(受稳压器的时钟控制)捕捉。二极管的电流信息被保持，接着控制FET打开。然后小电流源开始对斜坡电容充电，所选取的斜坡电容值与电感值成正比。充电电流被设计为与输入输出电压差成比例。因此，斜坡电容所获得的斜坡电压斜率和电感电流的斜率呈正比关系。

　　当斜坡电压与以前采样电流的测量结果相加时，产生一个梯形波，它完全类似于控制FET的电流波形，其中去掉了所有常见的非理想因素。这使 ECM 能够精确控制很窄的导通脉冲。对要求大步降率的稳压器来讲，这是一个非常有用的特性。但是仍然存在一个问题，比如，小信号表现是否符合电流模式稳压器的实际状况？图2的测量图表说明，实际上两者确实保持一致。

　　由于能够获得工作范围更宽并且清晰的单极点控制架构，最终用户具有很大的灵活性，可以享受简化补偿所带来的便利。这里可以使用简单的主极点补偿方法(单极点大概位于300Hz 处)。只需要通过简单的RC补偿，设计方案就可以接收从1kHz 到 30kHz的交叉频率。正是由于这种控制架构非常宽松，才使得环路设计的简化成为可能。

ECM 的实际应用

　　SIMPLE SWITCHER降压稳压器中的LM5576系列充分发挥了简化补偿所带来的优势，并且使环路补偿可以自由控制。这与SIMPLE SWITCHER稳压器的先前版本不同，后者完全依赖于内部由原厂设定的增益特性。当然，为了充分利用环路增益的灵活性，工作频率也应该是灵活可变的。这让用户能够在效率、尺寸和动态性能之间做出性能权衡。比如，如果需要出色的动态性能但却不太关心效率问题，设计师可以选择使控制器运行在较快的时钟频率下，从而使LC滤波器的储能最小化，因此能够获得更好的瞬态响应。相反，对于要求最优效率(以板上面积的增加为代价)的应用，设计师将采用较低的时钟频率以及较大的LC滤波器。由于滤波器元件具有较大的储存能量，动态性能将会降低。但是，不管是上述哪种情况，设计师都可以根据选中的LC滤波器元件和时钟频率对环路进行调整。对于驱动大动态负载的系统来讲，更快的控制环路可以减少输出电容器的数量，从而降低整个设计的成本。

　　为了最大限度减轻用户的设计任务，还可以利用全自动的专家系统(被称为WEBENCH)对整个稳压器进行设计。该专家系统能够生成稳定的设计和期望的功能。但是，此软件并没有智能到可以单独将稳压器的动态性能发挥到极至的地步。因此还是需要一些用户的参与，尽管对于大多数应用场合这并不必要。但是对于控制环路需要更高带宽的应用来讲，用户能够选择调整补偿。我们可以观察瞬态仿真的结果和整个环路增益的波特图，并且还可以看到在不断调整补偿(软件选择)以改进环路的动态性能。用户能够自由地改变环路带宽，甚至使其超过特定频率，在该频率下系统的高频极点开始在传输函数中显现。因此，以相位裕度的微降为代价，将带宽设置得大一些，可以大幅度提高瞬态性能。

　　这里并没有因为要使环路稳定而对电感和输出电容的取值做出基本限制。在一个具体的例子中，开关频率增加至500kHz，在只有一个220mF输出电容的情况下，电感取值为15mH。从图3中可以看到，对于简单的单片稳压器而言，大负载的阶跃性能已经非常出色了。