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为窄导通时间步降型转换电路选择正确的PWM控制器

时间:2021-03-27 PWM控制器,变换器,栅极驱动

【导读】随着时代前沿的DSP、FPGA和CPU工作在越来越低的供电电压、并消耗更大的电流,选择PWM控制器可以变得并不都是那么学生容易了。低于1V的电压技术变得具有非常重要普遍,而中间数据总线电压以及基本经济保持一个不变,在有的具体实际应用中甚至能够有所提高增加。系统使用频率也在稳步持续增加,以支持更小的电感和电容(L&C;)滤波。去年的500kHz到今年变成了1MHz。

 

在要求更低输出电压的高电压应用中,电源设计师一般依赖于会增加系统成本的模块,或者会增加解决方案外形尺寸和复杂性的两级直流/直流解决方案。本文重点介绍了影响窄导通时间负载点(POL)转换的趋势,并与常用的电流模式控制架构进行了比较。文章讨论了具有自适应斜率补偿功能的混合谷值电流模式(VCM)架构,包括在一种新型60V同步降压控制器中的使用,这种控制器能够在宽范围的Vin和Vout组合条件和低占空比条件下提供稳定的工作,因此可以实现从48V到1V负载点的直接步降转换。

 

需要狭窄的加载点转换

 

Buck变换器是目前应用最广泛的功率拓扑结构。最近的发展趋势表明,下一代开关控制器必须能够在很小的占空比下提供稳定高效的运行。虽然与目前的有限控制模式相比有很多优点,特别是在占空比方面。

 

通常,电信和工业应用中的供电系统使用多级转换电路。还有一个连续供电系统,其中负载点输入电压随着时间的变化从3.3 v 到5 v 到12 v,随着功率要求的提高,12v 电源导轨的使用现在非常普遍,3.3 v 电源导轨的使用越来越少。输入电压升高的趋势部分是由于较高的电流导致低压电路,i2r (电流到电阻)功率损耗和相关问题。

 

最近,这种趋势正在向更高的电压发展,例如工业应用为24V~42V,电信为48V。不断的技术进步使得控制窄脉冲成为可能。同时,新的研究表明,更高的输入电压可以实现更高的整体效率和更低的系统成本,并通过降低配电路径的温度来提高系统的可靠性。

 

驱动PWM窄脉冲技术要求的另外就是一个重要因素是对更高开关频率的需求,这将直接导致企业更高的功率密度。电源在1MHz开关频率以及工作人员已经很常见。事实上,在汽车市场信息网络娱乐系统应用中,为了能够避开调幅频段,这个开关频率我们需要时间超过1.8MHz。1MHz时实现12V至1V电源转换仍需要学生产生83ns的脉冲。

 

低占空比工作的局限

 

理想的buck变换器可以产生任何低于VIN的电压,甚至可以产生0V的电压,但是在实际应用中存在许多限制,如参考电压、内部或外部电路损耗,更重要的是,用于产生控制信号的调制器的类型。对于特定的输入电压,参考电压是最明显的限制因素,它阻止控制器覆盖从0%到100%的整个范围。最明显的是参考电压

 

 

此公式表示输出可以调整到 Vref 电压以下。获得最小 Vout 的第二个主要限制因素是控制器的最低时间。对于给定的输入电压 (Vin),最小的 Vout 可以表示为:

 

 

对于给定的开关频率(FS),上部MOSFET的导通时间等于:

 

 

控制器使用的大多数控制方法都是用来驱动它所能控制的最小接通时间。栅极驱动电路中的一些有意延迟,如消隐时间,也会影响最小导通时间。在典型的电流模式脉宽调制控制器中,脉宽调制脉冲的幅度取决于误差放大器的输出和电感电流信号,如图1所示。电流回路检测电感电流信号,并与VCOMP参考值进行比较,比较结果用于调制脉宽调制脉冲宽度。因为电流环路会迫使电感的峰值或谷值电流跟随电压误差放大器的输出,所以电感不会出现在电压控制环路中。对于电压环,两极LC滤波器会变成单电容极点结构。简单的2级补偿足以稳定电压环路。

 

 

适用于窄导通时间工作的调制器

 

峰值电流进行模式以及控制是最常用的架构问题之一,虽然它很好理解,可以通过提供一个具有中国诸多发展优势的可靠有效控制系统技术,但当要求窄导通时间管理工作环境时会呈现效果显著的缺点。在峰值电流保护模式,电感电流数据信息是在上侧MOSFET上检测到的。图2显示了上侧和下侧MOSFET中与PWM信号处理有关的典型电流波形。上侧MOSFET的导通事件会由于导通环路中的MOSFET内外企业存在一些不同寄生参数而产生差异显著的振铃现象。这种振铃会向控制模块电路发送自己错误导致信号,并错误地终止PWM信号。

 

为了自己解决我们这个社会问题,峰值电流控制模式进行开关控制器在检测电感电流通过之前会使用消隐时间可以忽略学生这个企业初始振铃。一般需要设置的消隐时间是150ns到250ns。这个消隐时间管理要求不允许峰值电流保护模式作为控制器调节作用非常窄导通时间的电源转换。在600kHz频率时,即使是12V到1V的电源转换也很难达到调节,这个活动频率相当于不到140ns的最小导通时间。

 

谷值电流模式控制

 

另一种方法是谷流模式控制,它可以克服峰值电流模式下的隐藏时间缺陷非常"容易"。在山谷电流模式的控制下,在上部MOSFET关闭期间对感应电流信号进行检测,从而避免了上部MOSFET的警报。该方法解决了控制PWM脉冲的时间非常窄的问题。然而,山谷电流模式也有其自身的局限性。

 

 

谷式电流型控制存在两个主要问题,即亚谐振荡和线性调节能力差。

 

电流模式控制器中的次谐波振荡(无论是峰值模式还是谷值模式)可以通过斜率补偿来避免。然而,固定斜率补偿不能应付所有的占空比和电感。如果占空比偏离斜坡补偿设计的设定值,就会出现次谐波振荡问题。

 

峰值电流模式控制

 

另一种方法是模拟峰值电流模式控制,这是峰值电流模式的变体,可以避免消隐时间限制。通过测量低端金属氧化物半导体场效应晶体管的谷值电流信息,该方法可以克服高端金属氧化物半导体场效应晶体管的振铃现象。该谷值电流信息可用于模拟电感过冲,然后获得峰值电流信息。

 

与峰值电流模式可以控制中的一样,仿真式峰值电流模式也存在子谐波振荡分析问题,需要学生进行斜率补偿。这个斜率补偿来源于仿真的峰电流通过信号。虽然仿真式峰值电流模式研究设计兼具蜂电流模式和谷值电流模式风险控制技术方法的好处,但它同时也有一些缺点,主要就是因为内部控制系统环路中缺少电感信息。

 

兼具两种模式的优点

 

带自适应斜率补偿的谷电流模式是克服传统谷电流模式控制缺点的一种方法。

 

Intersil 的 ISL8117 降压控制器使用低侧 MOSFSET Rdson 的谷电流模式控制、谷电流检测和自适应斜坡补偿。如图 3 所示,ISL8117 的坡度信号可以适应应用的输入电压,从而有效提高线路调整速率。其独特的谷流模式实施和优化的坡度补偿功能克服了传统谷流模式控制器的缺陷。ISL8117 独特的控制技术使其能够支持各种输入和输出电压。事实上,ISL8117是电压模式控制和电流模式控制的混合体,具有两个调制架构的优点。

 

Isl8117可以在4.5V到60V的任何电压下工作,其输出可以在0.6V到54V之间调节,频率范围从100kHz到2000kHz,最小接通时间为40ns(典型值)。该控制器在最短接通时间为40ns时,能以1.5MHz的频率从12V母线产生1V输出。它还可以从48V电源产生1V电源,频率较低。图4显示了从稳定的48V到1.2V的瞬态过渡。在受特定开关频率噪声影响的容易系统中,isl8117可以与任何外部频率源同步,以降低辐射系统噪声和拍频噪声。

 

 

利用该同步降压控制器,工程师只需使用10个器件,包括 mosfet 和无源器件,就可以设计出完整的直流/直流转换解决方案,转换效率为98% ,输出电压精度为1.5% 。如图5所示,isl8117的低引脚数量和布局友好的引脚架构也最大限度地减少了交叉布线,并进一步提高了电源性能。

 

 

本文小结

 

每种调制控制模式都有其局限性,但最近的创新,如具有混合谷值电流模式和自适应斜率补偿功能的ISL8117 60V降压控制器,可以更灵活、更方便地用于设计电源解决方案。ISL8117可以帮助系统设计人员消除中间转换级电路,以更小的体积实现更高的效率,降低系统成本,提高产品可靠性。


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