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Buck转换电路:为何电感电流信号比输出电压误差信号更好控制回路?
发布时间:2020-07-30
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Buck转换电路:为何电感电流信号比输出电压误差信号更好控制回路?
发布时间:2020-07-30
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  在Buck转换器中,电感电流信号常常被利用于控制回路中以实现良好的控制效果,它比输出电压误差信号来得更早,效果也更好。

Buck转换电路:为何电感电流信号比输出电压误差信号更好控制回路?

  这是电流模式控制系统的示意图,输出电压的取样信号首先被用来与参考电压进行比较,两者之间的差异被放大转换为电流信号在RC电路里进行累积,由此得到的补偿电压VEA成为电流比较器的参考输入。电流比较器的另一个输入是来自上桥开关的电流信号,这个电流信号会因每个时钟周期开始时被置位的SR触发器的输出使上桥开关导通而开始增加,当它增加到超过VEA时,SR触发器便被复位,于是上桥截止、下桥导通,电感电流开始下降,电路进入等待状态,直到下一个周期开始再重复上述过程。

  如果输出电压的反馈信号与参考电压相比太低了,误差放大器的输出信号便会比较大,VEA便会被推到一个比较高的地方,这样就给上桥导通期间的电流增长留下了比较多的空间,这也意味着上桥导通的时长会比较长,而由时钟信号周期所确定的总时长是确定的,留给下桥导通的时长就会缩短,电感电流在下桥导通期间的降低就会比较少,这样就得到了占空比提升、电感电流均值提升的效果。如果输出电压的反馈信号比参考电压高了,则上述的推理过程就会反过来,最后我们得到的就是输出电压被稳定在我们希望的水平上的结果。

Buck转换电路:为何电感电流信号比输出电压误差信号更好控制回路?

  上图展示的是电流模式控制回路在稳定情况下和负载出现阶跃上升情形下的各点波形图,从中可以看到误差放大器的输出VEA对输出电流峰值的限制效果。负载阶跃会造成输出电压偏离稳态值的结果,这个偏离会因为输出电容的储能而出现滞后。输出电压偏离稳态值的结果还会通过累积以后才成为VEA,因而由负载的阶跃所带来的输出电压的变化要经过一段时间的延迟以后才会反映在电感电流的变化上,这带来了稳定的结果,同时也导致了响应的滞后,我们在得到好处的同时也在承受一定的不足。

  在COT控制架构中,负载电流的增加直接导致输出电压纹波的增加,因为这种电流在流经输出电容的ESR时直接就转换为电压信号了,而一旦输出电压反馈信号低于参考电压,新的一次上桥导通过程立即就会发生,电感电流立即开始增加以弥补输出电压的损失,所以COT控制架构具有瞬态响应速度快的特性。每次固定时长的导通过程结束以后,经过一个最小化的截止时段,如果电压反馈信号仍然低于参考电压,新的一次导通过程就会发生,这个过程会一直进行到电压反馈信号高于参考电压为止。输出电压的升高是由输出电容的储能和流经输出电容ESR的电流纹波造成的,如果输出电容的ESR变小了,反馈得到的输出电压纹波信号就会变小,不恰当的导通过程就容易发生,这就出现了不稳定的问题,而偏偏现在大量用作输出电容的陶瓷电容就有这个特性,所以COT架构在遇到陶瓷电容以后就出现了问题。立锜科技为了解决这个问题,搞了一个改进型的ACOT®控制架构,它在COT控制架构中插入了一个电感电流模拟装置,让它的输出与反馈信号结合为一体供比较器使用,相当于间接提升了ESR反应的电流信号的幅度,取得了改善COT稳定性的效果。

Buck转换电路:为何电感电流信号比输出电压误差信号更好控制回路?

  图中的PSR便是电感电流信号模拟装置,它的输出与反馈信号VFB结合为一体成为比较器的输入。PSR不是一个实际的电流检测电路,但是具有电流检测的效果,这也可以看作是一个创新性的举措。

  图中所示的另外一个创新是标注为Frequency Locked Loop的设计,它的作用是测量实际的工作频率,然后与预设的工作频率进行比较,借此调节单脉冲发生器的脉冲时长,这个时长也就是上桥的每一次导通的时间长度,最后使整个电路的工作频率基本保持不变,而原有的COT控制架构是无法做到这一点的,它会随着工作条件的变化而变化。

Buck转换电路:为何电感电流信号比输出电压误差信号更好控制回路?

  这幅图显示的是采用ACOT®控制架构的Buck器件在稳态时的工作波形和它在遇到负载阶跃时的响应过程。在稳态波形中,我们可以看到反馈信号触及参考电压时触发导通过程的情况,输出电压纹波在其中起了很重要的作用。在阶跃响应的波形图中,我们可以看到阶跃负载导致的连续出现的导通过程对输出偏差的纠正作用,其表现要比电流模式的表现好许多,一点拖泥带水的情形都没有。

  一种将电流模式的好处和COT模式的好处结合在一起的做法是被称为CMCOT的控制架构:

Buck转换电路:为何电感电流信号比输出电压误差信号更好控制回路?

  在此架构中,输出电压的偏差经过误差放大器转换为参考电压VEA,这个信号将与取自下桥的电流信号进行比较,一旦发现该电流低于VEA,一次固定时长的上桥导通过程就会被触发,这将使得电感电流迅速上升以弥补输出电压的下降损失,这样就既有电流模式稳定的特性,又有COT模式快速响应的特性,因而导致了一种介于电流模式和COT模式之间的综合性效果。下图是稳态模式下CM-COT电路各点的工作波形图和负载阶跃模式下CM-COT的响应过程图,我们可以看到电感电流的谷值点直接触发了上桥的导通过程。

Buck转换电路:为何电感电流信号比输出电压误差信号更好控制回路?

  每一种控制架构都是因为应用中存在的问题需要解决而诞生的,它们都有自己的特性,有不足,也有优势,了解它们对自己在应用中的选型是有帮助的,愿此文能真的有益于你。

 

本文源自 RichtekTechnology

 

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