PWM电源控制器拓扑结构及仿电流感测信号技术

1、关于宽或高输入范围、低电源输出功率降压稳压系统的问题

一般来说，常常采用开关稳压器将不稳定的宽与高输入电压降低为稳定的低输出电压。对于必须通过DC/DC转换降低输入电压的系统来说，采用开关稳压器可大幅提高转换效率，这方面远比线性稳压器好得多。其脉宽调制PWM电源供应控制器有单端拓扑结构与双端拓扑结构。

1.1单端拓扑结构的控制方法与特征

控制方法有二种，即电压模式与电流模式。电压模式是简易、低噪音的控制方法，可满足大输入及输出范围的需求。电流模式是带内置电流限制，拥有快速瞬态响应时间。

集成度：集成的软启动(可编程)提供了可预测的启动能力，而内置前沿消隐电路(1eadingedgeblanking)，用以抑制MOSFET管开启时的转换所产生的毛刺。

性能具有：多种电压模式控制器都具有输入电压前馈能力，可对输入线电压的改变做出即时的响应；绝大部分的控制器都具有内置高电流驱动能力。无须外置MOSFET驱动器；更低的启动电流，以用于脱机应用；低工作电流实现了低负载下的高效率；可编程最小化的责任周期限制，实现了低负载下的高效率（如UCC3581)。

特点：在10W"350W脱机工作，DC／DC电源；单端拓扑结构电源（降压型、升压型、回扫型和正向）。

1.2双端拓扑结构控制方法与特征

其电流模式的控制技术是采用逐周期电源限制(cycle-by-cyclecurrentlimltmg)，并以其快速的瞬态响应为特色；而电压模式是多用途，低噪音的控制方法，可实现大的责任周期范围。

软开关特征：零电压切换(ZVT)软开关技术最小化了开启时的功率损耗；相位切换、零电压转换控制器最大化了全桥转换器的效率。

保护特征：灵活的过电流限制回路提供了可编程的错误保护模式；可编程软启动实现了初始化时及出错之后的可预测启动；高速，逐周期电流限制；最大化责任周期限制以防止变压器饱和；可编程停滞时间(deadtime)控制，防止了电源开关的交叉传导。

1.3举例应用——更高集成度的PWM控制器MAX5051

MAX5051为双开关拓扑PWM控制器，比较理想用于建立高性能、同步整流、48V隔离电源。见图1 MAX5051功能引脚与应用示意图。其元件数减少2倍而成本削减3倍。





应该说当今大部分内置变压器的直流／直流转换器都采用回扫及正向的电路程式。由于这两种布局的变压器匝数比可以按照不同要求加以设定，因此可以满足大部分降压转换的要求，确保使宽与高输入／输出降压比的应用也可充分发挥转换性能。对于不需要为接地绝缘的系统来说，采用降压稳压器是较为理想的电路布局。降压稳压器电路布局的优点是成本较低，因为这个解决方案无需采用变压器。以下是降压稳压器的电压转换公式：Vout=VIN ×D。

2、新型集成开关DC／DC转换器设计与应用

2.1设计思想

效率及小尺寸解决方案。若需同时实现最高转换效率及最小化的解决方案尺寸，那么推荐使用带集成开关的感应转换型转换器是一种理想选择。低功耗DC／DC转换器系列以及与负载点步降DC／DC转换器可实现97％的峰值效率，如T1的TPS6xxxx与TPS54xxx就是一例。其同步校正不仅取代了不便宜的肖特基校正二极管，同时还使转换器效率的提升高达10％。更高的效率意味着电池驱动应用了额外的操作时间，而大电流应用中更低的功耗也放松了对散热设计的要求。

因外部仅需电阻、电容及单个电感支持工作，集成的高侧及低侧转换FETs便可有效的降低了占板空间。而取决于不同的输出电流，其集成开关DC／DC转换器可采用如下封装模式：CSP(800mA)、SOT-23(400mA)、QFN-10(1.2A)以及TSSOP-28(13A)，从而更减小了解决方案的尺寸。

关于输出电流-输出电流典型受限于集成FETs的尺寸，并且对于最小输入电压来说是额定的，如TPS6xxxx系列。而如TPS54xxx系列输出电流指示为连续可用的输出电流；可实现更高的峰值电流以确保高性能DSP、FPGA及ASIC系统启动时能有适合的供给。且通过以下方程：

Lout=0.65ⅩIswitch(min) Ⅹ(VinⅩVout)

可实现对输出电流的粗略估计。对于输出电流低于300mA及效率低于90％的情况，无电感充电泵DC／DC稳压器会是一个成本及空间效益型的选择。

关于输入电压-DC／DC转换器能与宽范围的输入源协同运转，包括供电模块、插头式电源(wall supply，或称墙式电源)以及电池。如TPS6xxxx系列及其小外形封装，低静态工作电流都已经为低功耗电池驱动应用作了最优化。对于电池驱动系统来说，输入电压随着电池放电在大范围内变动。因此，转换器的选择就必须取决于所给定的电池工艺水平及数量。如TPS54xxx SWlFT系列可工作于预调节24V、12V、5V或3.3V的总线电压。

关于输出电压-当前的高级DSP、FPGA及ASIC芯片要求更低的电源电压。为实现最大的灵活性，转换器可同时支持额定的及可低至0.7V的可调节输出电压。

2.2应用举例——5.5V至36V输入，3A步降DC／DC转换器TPS5430

TPS5430 3A DC／DC转换器对于采用通用12V或24V电源轨的大范围应用来说是理想的选择。采用相应的SWIFT软件工具能大大地降低开发时间。图2为TPS5430功能与应用示意图。其主要特点为：集成110mΩ N道沟MOSFET；固定的500kHz转换频率；可调节输出电压低至1.23V；具有内置补偿与内置慢启动及内置阴极负载二极管(bootstrapdiode)；电压前馈与内置过电流保护及热关断；仅有18μA的关断静态电流；-40℃至125℃的工作交汇温度范围；封装模式：小型化热强化型8引脚S01CPower PAD封装。





应用领域：在消费应用方面，如机顶盒、DVD、LCD显示；亦可在工业及车载音频电源与电池充电器、高功率LED电源及12／24-V分布式电源系统上应用。

3、高与宽输入范围DC/DC降压稳压系统典型应用举例

可整合76V输入、低静态电流、2A降压型DC-DC转换器

图3(a) MAX5090功能与应用示意图。其特征为：无需使用MOV或TVS；6.5V至76V宽输入电压范围；承受高达80V汽车甩负载；高性能，满载下具有92％的高效率，无负载时310μA低静态电流，19μA低关断电流；为严酷的汽车环境而设计，确保工作在-40℃至+125℃结温范围内，打嗝模式短路保护，保持器件凉态，热关断和短路限流。上述功能可整合在5mm X 5mmTQFN封装内。3.2频率最高并具有宽输入电压范围(5V至23V)的2A DC-DC转换器MAX5089见图3(b)示意。 其特征为：2.2MHz开关频率，避免噪声干扰 敏感的AM波段或ADSL2+频段；5V±10％或5.5V至23V的宽Vin范围，适合宽广的汽车电压范围和对xDSL和机顶盒的宽电压范围墙上适配器进行稳压及用于控制7V至14V的粗调中间总线电压非常理想；高效，同步整流驱动器允许在宽Vin范围内实现最高效率。 图3(b)为MAX5089功能与应用示意图。





4、仿电流感测信号技术在DC/DC降压稳压系统设计中应用

4.1仿电流感测信号技术的引出

降压稳压器常用的调制控制方法有电压模式(VM)、电流模式(CM)及恒定导通时间(COT)等三种。电流模式控制可以轻易提供环路补偿，而且本身还有线路前馈补偿，因此颇受电源供应系统设计者的欢迎。一般来说：电压模式控制不会轻易受噪音的干扰，但瞬态响应及稳定性等方面的表现则不及电流模式。若采用恒定导通时间的控制方法：大部分稳定性的问题都会自动消失，而且线路及负载的瞬念响应也较为理想。但采用恒定导通时间控制的稳压器并非以恒定的开关频率操作，因此不能与外置时钟保持同步。





传统的电流模式控制方法有它的缺点。图4所示的是采用电流模式控制方法的降压稳压器的结构框图。稳压器的输出电压不但受监控，而且可与参考电压互相参照比较，一旦出现误差信号，便会传送到脉冲宽度调制器(PWM)。电压模式与电流模式的控制方式完全不同，原因在于两者的调制斜波信号来自不同的信号源。执行电流模式控制功能所需的调制斜波信号是一种与降压开关电流成正比的信号。电感器的电流会在开关导通期间流入降压开关。通电后，电感器电流的波形斜率为正数的(VIN—Vout)/L。降压开关电流的测量数值必须准确，而且有关数字要尽快测出，以便产生调制斜波信号。电流模式控制的主要缺点是很难取得降压开关电流信号。

4.2关于仿电流感测信号技术的特征

要快速而准确测量降压开关的电流并不容易，但可以采用新的方法模拟降压开关电流，而无需真正测量电流，避开测量的准确性问题。以降压稳压器来说，电感器电流是降压开关电流及自由轮转(续流)二极管电流的总和(图5为仿电流感测信号技术的降压稳压器波形示意)，降压开关电流波形由两个部分组成，其中有基本或消隐电平信号，也有斜波信号。消隐电平信号是整个开关周期的最低电感器电流值（谷值)。当降压开关启动，而自由轮转(续流)二极管关闭的一瞬间，电感器电流便处于最低值。电感器电流处于谷值时，降压开关及二极管的电流也同样处于其最低值。我们可以在降压开关启动前利用采杆及保持的方法进行采样，以测量自由轮转(续流)二极管的电流，所得的测量数值可以用来捕捉消隐电平信号。





降压开关电流波形的另—组成部分是信号的斜波。电感器电压是降压开关启动后的输入／输出电压差。这个电压有足够的强度，可将正数斜率的斜波电流输入电感器及降压开关。斜波电流的斜率为di/dt=(VIN—Vout)/L。可以选择适当的斜波电容值CRAMP，以确保电容器电压斜率与电感器电流斜率成正比。

4.3仿电流感测信号技术的应用例举

4.31图6是LM25576芯片的方块图





这款芯片是新推出的6款高集成度降压稳压器的其中一款，其特点是采用了上述的仿电流模式控制设计。图中顶部所示的是降比稳压器一般采用的电源开关.控制器将自由轮转（续流)二极管的阳极与接地连接一起，而低电流量检测电阻及放大器则负责测量二极管电流。采样及保持电路在降压开关启动之前触发每一周期的开始。为模拟的电流检测信号提供消隐电平信号。

LM25576 芯片可以检测输入电压及输出电压，以便产生驱动电流。为外置斜波电容器 CRAMP充电。降压开关启动后的每一周期内，电容器电在都会以线性方式上升。降压开关关闭后，斜波电容器便会门行放电。为了确保正常操作，我们设定斜波电容器时，必须确保其电容值与输出电感器的电感值成正比。开始时最好选用以下的斜波电容值：



公式中的L以Heny为计算单位，而CRAMP 则以Farad为计算单位。产生模拟降压开关电流信号的最后一个必要步骤是将采样及保持电路传米的消隐电平信号与斜波电容器电压信号相加。这样控制器便可发挥类似峰值电流模式的控制，但电流检测信号又不会出现延迟及瞬态响应。

对于操作时占空比超过50％的应用来说，峰值电流模式控制稳压器会出现次谐波的振荡。若在电流检测信号之上另外再添加一个固定斜率的电压斜波信号，便可避免出现这种振荡。以斜波发生器电路儿例来说，另外添加的25 μA固定偏置电流可为电容器电压斜波信号提供额外的固定斜波。至于占空比极高的应用，我们可以采用上拉电阻以补25 μA偏置电流的不足，也可降低斜波电容器的电容值，以便提高斜率，以免稳压器出现次谐波振荡。

4.32仿电流模式、超高准祸确度的PWM同步降压控制器

采用LM3495控制器有以下的好处：高度灵敏的亚微米处理器不但在设计上更具灵活性，而且还可添加可靠的保护功能。图7是LM3495芯片的方块功能与应用图。





其产品特征：2.9V至18V的输入电压；0.6V至5.5V的可调节输出电压；反馈电压准确度为±1％(在指定的温度范围内)；仿电流模式控制可以承受较大的输入至输出压降；只需一个输入供电便可操作；预先偏压的启动至输出；打嗝模式限流保护，确保耗散更少热能；具跟踪能力的内部软启动；200kHz至1.5MHz的开关频率，可调校至与系统同步，以便控制系统噪声；采用TSSOP-16封装。

应用：适用于专用集成电路(ASIC)、FPGA、数字信号处理器、嵌入式控制器的电源供应系统、工业系统以及高输出电流的电源管理模块。