三種電源控製拓撲的優劣全解析
發布時間:2014-06-30 責任編輯:echotang
【導讀】電源的拓撲結構有多種,各有所長也各有所短,本篇文章講詳細解析“電壓模式”、“遲滯”和“基於遲滯”等三種主要的電源控製拓撲各有優劣。方便工程師選擇最優方案。
meiyiweidianyuangongchengshidoushuzhibingxuexiguodianyamoshihedianliumoshikongzhizhexiechuantongdekongzhituopu,danquebutailejiejiyuchizhidetuopujiqiyoushi。suiranchunchizhikongzhiduiyuzhuruyiliaohuogongyezidonghuadengtedingyingyongkenengbingbushiyong,ranerxuduobijiaoxindedianyuantuopudoushijiyuchizhide,bingqieyongyouzhizaikefuchunchizhikongzhidequexiandeewaitexing。cileituopubeiyunyongyucongchuliqineihegongdiandaoqichexitongdengguangfanlingyu。
jihusuoyoudedianyuanjunshizhuanweitigongyigewendingdeshuchudianyahuodianliuershejide。tigongzhezhongshuchutiaojiegongnengxuyaoyigebihuanxitonghejijiangbeitiaojiedeshuchudianyahuodianliudefankui。jinguanyouhenduozhongyongyuduikeyongfankuihuanlujinxingbuchangdebutongkongzhituopu,dantamentongchangdoukeyibeiguiweilianglei:脈寬調製(PWM)或遲滯。在這兩種基本拓撲的基礎上演變出了第三種拓撲,其為此二者的融合:基於遲滯的拓撲。針對不同的應用,這些控製拓撲各有優缺點。
電壓模式控製
脈寬調製(PWM)控製被歸為兩種基本類型:電壓模式和電流模式。為簡單起見,本文隻討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控製。有關電壓模式與電流模式更為詳細的比較,圖1示出了降壓轉換器中電壓模式控製的基本方框圖。

圖1:電壓模式控製包括了誤差放大器、時鍾和內部基準電壓(VREF)
當采用電壓模式控製來調節輸出電壓時,它通過一個連接至其反饋(FB)輸入的阻性分壓器來檢測輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨後將該FB信號與一個高準確度內部基準電壓進行比較。圍繞誤差放大器的環路補償電路負責保持係統的穩定。
電壓模式控製擁有諸多的優勢。通過僅調節輸出電壓和其他良好受控的內部信號(比如:時鍾和內部基準電壓),該(gai)拓(tuo)撲(pu)具(ju)備(bei)非(fei)常(chang)強(qiang)的(de)抗(kang)噪(zao)聲(sheng)能(neng)力(li)。而(er)且(qie)它(ta)還(hai)相(xiang)當(dang)地(di)簡(jian)單(dan)明(ming)了(le)。利(li)用(yong)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)前(qian)饋(kui)保(bao)持(chi)了(le)簡(jian)單(dan)性(xing),以(yi)在(zai)不(bu)斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)條(tiao)件(jian)下(xia)維(wei)持(chi)恒(heng)定(ding)的(de)環(huan)路(lu)增(zeng)益(yi)。此(ci)外(wai),輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)前(qian)饋(kui)還(hai)可(ke)大(da)幅(fu)改(gai)善(shan)針(zhen)對(dui)線(xian)路(lu)電(dian)壓(ya)瞬(shun)變(bian)的(de)響(xiang)應(ying)。最(zui)後(hou),時(shi)鍾(zhong)實(shi)現(xian)了(le)開關頻率的控製,包括使電路同步至一個外部時鍾源的可能性。
dianyamoshikongzhidezhuyaolieshishibixudehuanlubuchangjiduiyingdehuanludaikuanxianzhi。jiuqibenzhieryan,dianyamoshikongzhizaigonglvjizhongyinruleyigeshuangjidian,gaishuangjidianweiyushuchulvboqidezhuanzhepinlv,yinerxuyaozaiwuchafangdaqidezhouweibushelianggezhengquedingweidelingdian。youyugaishuangjidiandepinlvtongchanghendi,yinerhuanludaikuanbeixianzhizaijiaodideshuiping。yibanqingkuangxia,qibeixianzhiweibuchaoguokaiguanpinlvde1/10。這(zhe)對(dui)電(dian)源(yuan)的(de)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)產(chan)生(sheng)了(le)顯(xian)著(zhu)的(de)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci),設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)來(lai)獲(huo)得(de)更(geng)好(hao)的(de)瞬(shun)態(tai)結(jie)果(guo),從(cong)而(er)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)升(sheng)高(gao)。
考kao慮lv到dao以yi上shang的de利li弊bi權quan衡heng,電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi仍reng然ran是shi頗po具ju價jia值zhi的de,尤you其qi在zai那na些xie對dui噪zao聲sheng敏min感gan的de應ying用yong中zhong。電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi的de高gao噪zao聲sheng耐nai受shou性xing及ji其qi可ke同tong步bu至zhi一yi個ge係xi統tong時shi鍾zhong的de能neng力li使shi其qi很hen適shi合he於yu對dui噪zao聲sheng最zui為wei敏min感gan的de應ying用yong,例li如ru:醫療和儀表設備等。[page]
遲滯控製
純粹和基本形式的遲滯控製是極其簡單的,所有控製拓撲中最簡單的一種(圖2)。在其端子之間具有某些小遲滯的比較器通過FB輸入將輸出電壓直接與高準確度的內部基準電壓VREF進行比較。

圖2:簡單的遲滯控製拓撲隻需一個比較器和內部VREF
zhezhongzhijiekongzhishuchudianyadeyoushizaiyukongzhihuanludesudu。dangshuchudianyayouyushunbiandeyuanyinerfashengbianhuashi,kongzhihuanlukaishizuochufanyingsuoxudeshijianjinshouxianyubijiaoqihezhajiqudongqizhongdechuanboyanchi。wuchaxinhaobubichuanguodidaikuanwuchafangdaqi。yinci,chizhituopushisuduzuikuaidekongzhituopu。
ciwai,qigongzuoyuanlidejiandanxinghaishiqinengzaiwuxurenhehuanlubuchangdeqingkuangxiabaochiguyoudewendingxing。erqiezhezhongjiandanxingyeshizhichengweiyizhongdichengbendetuopu。zaidianyuanzhongmeiyouxuyaosheji、構建和測試的振蕩器或誤差放大器。控製開關動作僅需一個基本的比較器即可。
遲chi滯zhi拓tuo撲pu的de主zhu要yao缺que陷xian是shi其qi開kai關guan頻pin率lv變bian化hua。沒mei有you負fu責ze設she定ding開kai關guan頻pin率lv的de時shi鍾zhong或huo同tong步bu信xin號hao。取qu而er代dai之zhi的de是shi,開kai關guan頻pin率lv由you遲chi滯zhi量liang以yi及ji外wai部bu組zu件jian和he工gong作zuo條tiao件jian來lai設she定ding。
當dang采cai用yong純chun遲chi滯zhi轉zhuan換huan器qi時shi,預yu計ji在zai輸shu入ru電dian壓ya和he負fu載zai範fan圍wei內nei將jiang發fa生sheng很hen大da的de頻pin率lv變bian化hua。而er且qie,如ru果guo不bu采cai用yong一yi個ge高gao增zeng益yi誤wu差cha放fang大da器qi的de話hua,所suo實shi現xian的de輸shu出chu電dian壓ya的deDC設定點有可能不如采用電壓模式控製時那麼精準。最後,遲滯控製需要利用輸出電容器中的等效串聯電阻(ESR)。因此,當運用純遲滯拓撲時,一般不能使用ESR極小的陶瓷輸出電容器。
但是,在某些低功率、非常低成本的應用中(比如:玩具),由於此類終端設備的價位非常之低,而且其低功率在遲滯電源的寬開關頻率範圍內產生的電磁幹擾(EMI)水(shui)平(ping)很(hen)低(di),因(yin)此(ci)遲(chi)滯(zhi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)也(ye)許(xu)是(shi)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)的(de)。另(ling)外(wai),具(ju)有(you)非(fei)常(chang)嚴(yan)酷(ku)之(zhi)瞬(shun)變(bian)的(de)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)遲(chi)滯(zhi)或(huo)基(ji)於(yu)遲(chi)滯(zhi)的(de)拓(tuo)撲(pu)來(lai)維(wei)持(chi)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)調(tiao)節(jie)。假(jia)如(ru)這(zhe)些(xie)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)、shuchudianyaheqitagongzuotiaojianchuyulianghaoshoukongdezhuangtai,zekaiguanpinlvbeibaochizaiyigekejieshoudefanweizhinei。zheshidechizhikongzhichengweinaxieyikaoyigegudingshurudianyayunzuobingchanshengyigegudingshuchudianyadeyingyongdeyouxiaoxuanze。
基於遲滯的控製
許多控製拓撲從根本上說都是遲滯的,但其包含了其他旨在克服頻率變化和其他純遲滯拓撲局限性的電路。例如,它們包括D-CAP、D-CAP2、COT、具有ERM的COT和DCS-Control拓撲。本文僅分析和比較DCS-Control4及相似器件。
根本上說,DCS-Control(采用至節能模式的無縫轉換的直接控製)是一種遲滯拓撲,但其融合了電壓模式和電流模式的某些特性(圖3)。和在電壓模式控製中一樣,遲滯比較器將一個誤差放大器的輸出與一個鋸齒波形進行比較。

圖3:在基於遲滯的DCS-Control拓撲中,誤差放大器和內部VREF與電壓模式控製中的相同,而遲滯比較器則取自遲滯拓撲。導通定時器(ontimer)是基於遲滯的拓撲所特有的
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該鋸齒波並非產生自某個時鍾,而是通過一個與輸出電壓直接相連的特殊電路產生在VOS輸入引腳上。實質上,遲滯比較器仍然具有一個通過該VOS引腳至輸出電壓的直接連接,並接入了一個高增益誤差放大器以提供非常優良的輸出電壓設定點準確度。
除了將取自遲滯和電壓模式拓撲的遲滯比較器與誤差放大器加以組合之外,DCS-Control還運用了一種導通時間電路以控製開關頻率。最後,內置了必需的環路補償功能電路以實現穩定性。
DCS-Control的主要優點是可保持遲滯轉換器非常快的瞬態響應以及電壓模式轉換器的輸出電壓準確度,同時克服了這兩種拓撲其他的關鍵缺陷,即:緩慢的響應時間、有限的控製環路帶寬和頻率變化。
由於VOS引yin腳jiao提ti供gong了le輸shu出chu電dian壓ya的de直zhi接jie控kong製zhi,因yin此ci輸shu出chu電dian壓ya的de任ren何he變bian化hua都dou將jiang直zhi接jie通tong過guo控kong製zhi環huan路lu傳chuan播bo,而er不bu會hui受shou到dao誤wu差cha放fang大da器qi帶dai寬kuan的de限xian製zhi。這zhe將jiang大da大da加jia快kuai瞬shun態tai響xiang應ying速su度du。
就目前的DCS-Control實shi施shi方fang案an而er言yan,其qi主zhu要yao缺que點dian是shi無wu法fa同tong步bu至zhi一yi個ge時shi鍾zhong。作zuo為wei一yi種zhong基ji於yu遲chi滯zhi的de拓tuo撲pu,其qi並bing未wei提ti供gong時shi鍾zhong輸shu入ru信xin號hao,而er是shi提ti供gong了le一yi個ge在zai各ge種zhong工gong作zuo條tiao件jian下xia變bian化hua極ji小xiao的de受shou控kong開kai關guan頻pin率lv。在zai某mou些xie場chang合he中zhong,該gai變bian化hua小xiao於yu電dian壓ya模mo式shi轉zhuan換huan器qi的de時shi鍾zhong頻pin率lv容rong差cha。
諸如DCS-Controldengjiyuchizhidetuopuqizuijiadeshiyongchangheshinaxiehuizaoyudadeshunbianbingxuyaojigaoshuchudianyazhunquedudeyingyong。cileiyingyongbaokuoweiqianrushihuojisuanxitongzhongdechuliqineihegongdian,yijigongyezidonghuaheqichexinxiyulexitong。
結論
對於不同的應用,“電壓模式”、“遲滯”和“基於遲滯”等deng三san種zhong主zhu要yao的de電dian源yuan控kong製zhi拓tuo撲pu各ge有you優you劣lie。雖sui然ran大da多duo數shu電dian源yuan工gong程cheng師shi都dou習xi慣guan並bing樂le於yu使shi用yong電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi,但dan遲chi滯zhi和he基ji於yu遲chi滯zhi的de拓tuo撲pu卻que能neng提ti供gong同tong類lei最zui佳jia的de瞬shun態tai響xiang應ying,而er且qie應ying當dang就jiu諸zhu如ru處chu理li器qi內nei核he供gong電dian等deng需xu要yao這zhe種zhong快kuai速su響xiang應ying速su度du的de應ying用yong對dui其qi做zuo深shen入ru探tan究jiu。由you於yu每mei種zhong控kong製zhi拓tuo撲pu都dou有you數shu量liang極ji為wei龐pang大da的de設she備bei在zai使shi用yong,因yin此ci意yi味wei著zhe對dui於yu幾ji乎hu所suo有you的de應ying用yong而er言yan都dou很hen可ke能neng有you一yi種zhong最zui優you的de電dian源yuan解jie決jue方fang案an。
wulunnayizhongdianyuandetuopujiegoudouyouyoushihelieshi,shuzhimeiyizhongtuopujiegoudeyingyonglingyuhuibangzhugongchengshizaibutongdelingyuxuanzebutongdefangan,tigaoxiaolv,jieyuechengben。
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