降压DC-DC结构简介

聚丰开发 2019-04-28 10807

描述

降压转换器被广泛应用于各种消费性和工业上的应用之中，其中常需转换器将较高的输入电压转换成一较低的输出电压。现有的降压转换器效率非常好，并能在变化范围很大的输入电压和输出负载的条件下，仍产生调节良好的输出电压。

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降压转换器有很多不同的回路控制方式：

在过去，被广泛使用的是电压模式和电流模式，然而近来恒定导通时间（COT）架构也常被使用，而有些降压转换器则是同时由电流模式和恒定导通时间来控制的。

此报告将比较直流降压变换器架构，包括电流模式、电流模式-恒定导通时间 (CMCOT)。将详细解说两种架构之间的差异，并将列出每一种架构在实际应用中优缺点。

1. 电流模式降压转换器

电流模式降压转换器之内部功能框图显示于图一

图一、电流模式转换器之内部功能框图

在典型的电流模式控制中，会有一个恒定频率来启动高侧MOSFET，并有一误差放大器将反馈信号与参考电压作比较。然后，电感电流的上升斜率再与误差放大器的输出作比较；当电感电流超过误差放大器的输出电压时，高侧MOSFET 即被关断 (OFF)，而电感电流则流经低侧MOSFET，直等到下一个时钟来到。

电流斜坡再加上斜率补偿之斜坡是为要避免在高占空比时的次谐波振荡，并提高抗噪声性能。电流模式转换器回路带宽（FBW）是由误差放大器输出端的补偿元件来设定，通常设在远低于转换器的开关频率。

电流模式转换器稳态和负载瞬态变化操作之波形显示于图二

图二、电流模式转换器之稳态与负载瞬态的波形

恒定频率频率使得电流模式控制的系统对于负载的突然变化，反应会相当地慢，尤其是用在低占空比的应用之中。这是因为一旦高侧 MOSFET 被关断(OFF) ，它就会一直保持关断，直等到下一个频率来到。当转换器试图满足新的负载需求时，带宽的大小也限制了可达到的最大占空比。

在负载呈现快速步阶变化的应用中，电流模式转换器则会产生较大的输出电压波动。在步阶负载时，电压骤降值 ΔV 是和负载步阶的幅度和速率、输出电容和转换器的带宽有关。为确保电流模式转换器有良好的稳定性，回路带宽通常设在开关频率的 1/10 或甚至更低。

电流模式转换器的另一个缺点是，控制高侧 MOSFET关断的决定点是在高侧MOSFET 导通的时候 (ON)，即在电流与系统的噪声都较高的时候。因此有必要要过滤噪声，并且也对高侧 MOSFET 的最小导通时间造成一些限制。如此反过来又限制了降压转换器的最小占空比范围。

恒定斜率补偿通常也会在某些特定的输入和输出电压条件下，限制电感值的大小。

电流模式转换器具有的优点：内部频率使开关频率得以在各种输入和输出条件下，都保持非常稳定；这在某一些应用中是非常重要的。此内部频率也可以与外部频率信号同步，所以在相同的频率下，可运作数个转换器。

电流模式降压转换器的优点和缺点

优点：

·稳定的恒定频率

·可与外部频率同步

·成熟的技术

缺点：

·对快速负载步阶的反应较慢

·需误差放大器补偿

·需斜率补偿

2. 电流模式 - COT（CMCOT）降压转换器

电流模式-COT 降压转换器之内部功能框图显示于图三

图三、电流模式-恒定导通时间转换器之内部功能框图

CMCOT降压转换器并没有内部频率；高侧 MOSFET 会恒定导通一段预定导通 (ON) 时间。占空比是借着改变高侧 MOSFET 的关断 (OFF) 时间而调整的。 CMCOT 转换器也包含了电流检测及误差放大器。然而现在则是用电流的下降斜率和误差放大器的输出作比较，所以电流检测是藉由低侧 MOSFET。这比较容易实现，而且也较不易受噪声影响，特别是在低占空比的情况之下，因为系统不需要等待下一个频率来到，所以能较快速地反应突然的步阶负载。一当输出凹陷/下沉，误差放大器之输出电压会上升，且上升至电流的下降斜率时，一个新的导通 (ON) 时间周期就会启动，使转换器之电流再次上升。

CMCOT 转换器之稳态和负载瞬态变化操作之波形显示于图四

图四、电流模式 – COT 转换器之稳态与负载瞬态的波形

电流的谷值是随着误差放大器的输出而定的，因此误差放大器的增益和速率会影响转换器之反应速率。在CMCOT架构中，由补偿元件所设定的最大带宽是和导通(ON)时间的倒数有关的，并不像电流模式是和开关频率有关。因此CMCOT转换器的带宽会比电流模式转换器的带宽高，而且在快速的负载步阶时，输出电压的波动也较小。CMCOT在高占空比时，不会有次谐波振荡的问题，因此就不需要斜率补偿，而这就使得可选择的电感值范围更大。

在仅有恒定导通时间控制之架构中，不同输入和输出电压条件下，开关频率的变化范围可能会很大。然而，CMCOT 转换器的导通 (ON) 时间是由一个特殊的电路来控制的，它会慢慢地调整导通时间，以调节平均的开关频率，使其达到所默认的频率。和电流模式类似的是，在有步阶负载时，电压骤降值 ΔV 是和负载步阶的幅度和速率、输出电容和转换器的带宽有关；而所不同的是地方则是，在 CMCOT 中，由补偿元件所设定的最大带宽可高于开关频率的1/10。

CMCOT也有一些缺点：

由于转换器是由改变频率来调节输出电压，所以转换器无法和外部频率同步。频率控制回路的波形也显示开关频率的改变是和负载的瞬态变化有关。

CMCOT 降压转换器的优点和缺点

优点：

·快速反应负载步阶的变化

·低侧电流检测

·最低导通时间小，占空比可较低

·无需斜率补偿

缺点：

·需误差放大器补偿

·无法与外部频率同步

·负载瞬态变化时，频率变化范围较大