開關電源的建模和環路補償設計（下）

用電壓模式控制閉合反饋環路

輸出電壓可以由閉合的反饋環路系統調節。例如，在圖 12 中，當輸出電壓 VOUT上升時，反饋電壓 VFB上升，負反饋誤差放大器的輸出下降，因此占空比 d 下降。結果，VOUT被拉低，以使 VFB= VREF。誤差運算放大器的補償網絡可以是 I 型、II 型或 III 型反饋放大器網絡。只有一個控制環路調節 VOUT。這種控制方法稱為電壓模式控制。凌力爾特公司的 LTC3861 和 LTC3882就是典型的電壓模式降壓型控制器。

圖 12：具閉合電壓反饋環路的電壓模式降壓型轉換器方框圖

為了優化電壓模式 PWM 轉換器，如圖 13 所示，通常需要一種復雜的 III 型補償網絡，以憑借充足的相位裕度設計一個快速環路。如等式 7 和圖 14 所示，這種補償網絡在頻率域有 3 個極點和兩個零點：低頻積分極點 (1/s) 提供高的 DC 增益，以最大限度減小 DC 調節誤差，兩個零點放置在系統諧振頻率 f0附近，以補償由功率級的 L 和 C 引起的 –180° 相位延遲，在 fESR處放置第一個高頻極點，以消除 COUTESR 零點，第二個高頻極點放置在想要的帶寬 fC以外，以衰減反饋環路中的開關噪聲。III 型補償相當復雜，因為這種補償需要 6 個 R/C 值。找到這些值的最佳組合是個非常耗時的任務。

圖 13：用于電壓模式轉換器的 III 型反饋補償網絡

圖 14：III 型補償 A(s) 提供 3 個極點和兩個零點，以實現最佳的總體環路增益 TV(s)

為了簡化和自動化開關模式電源設計，凌力爾特開發了 LTpowerCAD 設計工具。這工具使環路補償設計任務變得簡單多了。LTpowerCAD 是一款可在 www.linear.com.cn/LTpowerCAD 免費下載的設計工具。該軟件幫助用戶選擇電源解決方案、設計功率級組件以及優化電源效率和環路補償。如圖 15 例子所示，就給定的凌力爾特電壓模式控制器而言 (例如 LTC3861)，其環路參數可用該設計工具建模。對于一個給定的功率級，用戶可以確定極點和零點位置 (頻率)，然后按照該軟件的指導，帶入真實的 R/C 值，實時檢查總體環路增益和負載瞬態性能。之后，設計方案還可以輸出到一個 LTspice 仿真電路上，進行實時仿真。

(a) LTpowerCAD 功率級設計頁面

(b) LTpowerCAD 環路補償和負載瞬態設計頁面

圖 15：LTpowerCAD 設計工具減輕了電壓模式轉換器 III 型環路設計的負擔

為電流模式控制增加電流環路

單一環路電壓模式控制受到一些限制。這種模式需要相當復雜的 III 型補償網絡。環路性能可能隨輸出電容器參數及寄生性變化而出現大幅改化，尤其是電容器 ESR 和 PCB 走線阻抗。一個可靠的電源還需要快速過流保護，這就需要一種快速電流檢測方法和快速保護比較器。對于需要很多相位并聯的大電流解決方案而言，還需要一個額外的電流均分網絡 / 環路。

給電壓模式轉換器增加一個內部電流檢測通路和反饋環路，使其變成一個電流模式控制的轉換器。圖 16 和 17 顯示了典型峰值電流模式降壓型轉換器及其工作方式。內部時鐘接通頂端的控制 FET。之后，只要所檢測的峰值電感器電流信號達到放大器 ITH 引腳電壓 VC，頂端的 FET 就斷開。從概念上來看，電流環路使電感器成為一個受控電流源。因此，具閉合電流環路的功率級變成了 1 階系統，而不是具 L/C 諧振的 2 階系統。結果，功率級極點引起的相位滯后從 180° 減少為約 90°。相位延遲減少使補償外部電壓環路變得容易多了。相位延遲減少還降低了電源對輸出電容器或電感變化的敏感度，如圖 18 所示。