用于PWM 信号发生的开关稳压器技术

作者：Steven Keeping

开关式 DC-DC 电压转换器（“稳压器”）有两个组成部分：控制器和功率级。功率级含有开关元件，并将输入电压转换为所需的输出电压。 控制器监控开关操作，以调节输出电压。 这两个组成部分通过反馈回路相连，将实际输入电压与所需输出比较，得到误差电压。

控制器是电源稳定和精度的关键，几乎所有设计都使用脉宽调制（PWM） 技术进行调节。 产生 PWM 信号有两个主要方法：电压模式控制和电流模式控制。 电压模式控制法首先出现，但有不足之处，如对负载变化响应慢、回路增益随输入电压变化，这促使工程师们开发出一种替代方法——电流模式法。

如今，工程师们可以有众多使用这两种控制技术的模块可选。 这些产品运用的技术克服了前代产品的重大缺陷。

本文介绍开关稳压器中用于 PWM 信号发生的电压和电流模式控制技术，并解释每个应用最适合的情形。

电压模式控制

设计师设计电源时既可以采用分立元件（请参见 TechZone 中的《DC/DC 稳压器：如何在分立式和模块化设计之间选择》）进行构建，也可以使用独立控制器和功率元件或使用将这两元件合并到单个芯片中的电源模块来构建。

但是无论采用那种设计技术，基本上都需要采用固定频率（通常如此）PWM 技术来进行电压调节。 （之所以需要固定开关频率，是因为它能抑制电源产生的电磁干扰（EMI）。）

在电压模式控制型稳压器中，通过将控制电压 （VC） 施加到比较器一个输入，然后将由时种产生的固定频率锯齿电压（Vramp，或 “PWM ramp”）施加到比较器的另一个输入来产生 PWM 信号（参见图 1）

图 1：用于开关稳压器的 PWM 发生器。（感谢 Texas Instruments 提供资料）

PWM 信号的占空比与控制电压成正比，并决定开关元件的导通时间的百分比，因此反过来也决定输出电压（参见 TechZone 文件《使用 PFM 改进开关 DC/DC 稳压器的低载能效》。）控制电压源自实际输出电压和所需输出电压（或基准电压）之差。

调制器增益 Fm 定义为引起占空比从 0 增大至 100 （Fm = d/VC = 1/Vramp） 的控制电压变化。1

图 2 显示了典型开关稳压器的构建块。 功率级由开关、二极管、电感器、变压器（用于隔离式设计）以及输入和输出电容器组成。 功率级将输入电压 （VIN）转换为输出电压 （VO）。 稳压器控制部分有一个误差放大器，该放大器的两个输入分别连接基准电压（即所需输出电压）和分压器输出。 分压器从该输出接受反馈跟踪信号。误差放大器输出提供控制电压（VC 或“误差电压”），形成 PWM 比较器的输一个输入。2

图 2：电压模式控制开关稳压器的控制部分和功率级。（感谢 Microsemi 提供资料）

电压模式控制的优势包括：单反馈回路使设计和电路分析更容易；使用大幅度斜坡波形提供了良好的噪声裕量，从而实现稳定的调制过程；以及低阻抗功率输出提供更好的交叉调节，从而实现多输出供电。

但是这种技术也有一些明显的不足。 例如，必须首先将负载变化检测为一种输出变化，然后由反馈回路校正，从而造成响应慢。 输出滤波器使电路补偿变得复杂，且回路增益随输入电压变化，甚至会使这种补偿变得更困难。

电流模式控制

在上世纪八十年代早期，工程师们为开关电压稳压器技术开发一种替代技术，克服了电压模式控制法的不足。 称之为电流模式控制，这种技术源自 PWM 斜坡，通过增加第二个回路来提供电感器电流反馈。 这种反馈信号由两个部分组成：AC 纹波电流和 DC 电流或电感电流的平均值。 该反馈信号的放大形式被传送到 PWM 比较器的一个输入，而误差电压则构成其另一个输入。 与电压模式控制方法一样，系统时钟决定 PWM 信号频率（图 3）。

图 3：采用电流模式控制的开关稳压器。 这里的 PWM 斜坡从源自输出电感器电流的信号产生。（感谢 Texas Instruments 提供资料）

电流模式控制解决电压模式控制响应慢的问题，因为电感器电流随着输入和输出电压差所决定的斜率而提升，从而因此能立即响应线路或负载电压变化。 另一个优势是，电流模式控制法消除了电压模式控制法中输入电压不足引起的回路增益差异。

而且，由于在电流模式控制电路中，误差比较器控制输出电流而非电压，因此输出电感器对电路响应的影响就会降到最小，且更易进行补偿。 相比电压模式控制器件，这种电路也具较高的增益带宽。

电流模式控制的其它好处包括，通过对来自误差放大器的指令进行箝位，从而对固有逐脉冲电流进行限制，以及并接多个电源装置时简化负载共享。

人们曾经一度认为电流模式控制会让电压控制模式成为历史。 但是，尽管如此，工程师们发现电流模式控制稳压器为他们设计带来了新的挑战。

主要不足是电路分析难度加大，因为稳压器的拓扑结构中现在包括了两个反馈回路。 第二个复杂因素是，“内部”控制回路（带有电感器电流信号）在占空比高于 50% 时不稳定。 另一项挑战是，由于控制回路源自电感器输出电流，因此来自功率级的谐振会在内部控制回路中产生噪声。3

将电流模式控制稳压器的占空比限制在 50% 以内时会严重限制设备输入电压。 幸运的是，不稳定性问题可以通过在内部回路中“注入”少量斜率补偿来解决。这种技术能确保在所有 PWM 占空比下都能稳定运行。

斜率补偿通过从误差放大器输出提取锯齿电压波形（运行在时钟频率下）来实现。 此外，补偿斜率电压可以直接加到电感器电流信号上（图 4）。

图 4：采用斜率补偿的电流模式控制稳压器。（感谢 Texas Instruments 提供资料）

数据分析显示，为保证电流回路的稳定性，补偿斜坡的斜率必须大于电流波形下降斜率的一半。4

市面上有多种电流模式控制稳压器在售。例如Microsemi 提供的 NX7102 就是采用电流模式控制的同步降压稳压器。 该芯片可接受 4.75 至 18 V 的输入范围，并提供低至 0.925 V 的可调输出。最大输出电流为 3 A，且峰值能效在 90% 到 95% 之间，具体取决于输入电压。

就其本身而言，Texas Instruments 提供了广泛的电流模式控制稳压器选择。 TPS63060 就是一例，这是一个同步升压型 2.4 MHz 稳压器，能从 2.5 到 12 V 电源提供 2.5 至 8 V 输出（在高达 1 A 电流时）。 该器件能效高达 93%，针对如便携式计算机和工业计量设备等移动应用。

STMicroelectronics 也供应各种各样的电流模式控制器件，包括 STBB2。 这是一个同步升压型 2.5 MHz 稳压器，从 2.4 到 5.5 V 电源提供 2.9 至 3.4 V 的输出。该器件能以 90% 的能效供应高达 800 mA 的电流，它采用球栅阵列（BGA） 封装。

电压模式起死回生

随便看一下一些半导体厂商的产品目录即可发现，电压模式控制稳压器并没有消失。之所以这样，是因为这些器件以前各代产品的不足已经通过使用一种称为电压前馈的技术解决了。

电压前馈是通过修正电压与输入电压成正比的 PWM 斜坡波形的斜率来实现的。 这样提供了一种一致的纠正型占空比调制，且独立于反馈回路。

这种技术改进了对线路和负载瞬变的电路响应，同时消除了对存在输入滤波器的敏感性。 电压前馈同时稳定了回路增益，以使其不再随输入电压变化。 稍有不足的是，某种程度上增加了电路复杂性，因为需要一个传感器检测输入电压。

各大元件厂商提供了众多电压模式控制稳压器供工程师选择。 例如，Maxim 的产品组合中就有多种电压模式控制器件，包括 MAX5073。 这款开关稳压器是一款升压型 2.2 MHz 器件，工作在 5.5 到 23 V 电源下，并能产生 0.8 到 28 V 输出。在升压模式下，该稳压器能够提供 2 A 电流。

类似的，Intersil 提供的 ISL9110A 也是一款采用电压控制的 2.5 MHz 开关稳压器。 该器件由一个 1.8 到 5.5 V 输入电压驱动，并以 1.2 A 电流提供 3.3 V 输出，能效达 95%。

就其本身而言，InternaTIonal RecTIfier 提供了 IR3891，这是一款具有 1 至 21 V 宽输入范围的电压模式控制升压稳压器，输出范围为 0.5 到 18.06 V。该芯片的开关频率范围为 300 KHz 到 1.5 MHz，且能提供高达 4 A 的电流。IR3891 具有两个输出。

技术的选择

基本上所有开关稳压器均采用 PWM 控制技术来实现开关元件。 PWM 信号既可以从与运行在时钟频率下的锯齿波形相结合的控制电压（源自从基准电压提升的输出电压）产生，也可以通过增加第二个回路将电流控制模式的电感电流馈回的方式来产生。通过采用象用于电压控制设计的电压前馈和用于电流模式装置的斜率补偿之类技术，现代器件已经完全克服了原有设计的主要不足。

正是由于这些创新，使得工程师们对这两种拓扑类型都有拥有广泛的选择。 当宽输入线路或输出负载变化可能时、或处于轻负载条件下（当电流模式控制斜坡的斜率太浅，不足以实现稳定的 PWM 操作时）、或在噪声应用中（功率级产生的噪声需要找到方式回到电流模式控制反馈回路中），以及为实现良好的交叉调节需要多个输出电压时，推荐使用电压模式控制开关稳压器。

对于提供的输出是高电流或较高电压，需要在特定频率具有最快的动态响应，输入电压变化受限，以及元件成本和数量必须降到最小的应用，推荐使用电流模式控制器件。