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降压式DC-DC转换器中的恒定导通时间谷值电流模式控制

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恒频峰值电流控制方案使用两个环路从高输入电压产生低输出电压，分别是电压外环和电流内环。在控制信号和输出信号之间存在最小相移，由此可以实现简单的补偿。

测量流过NMOS主开关的电感电流的典型方法是，当NMOS主开关导通时检测NMOS主开关上的压降，或者检测输入端和主开关的漏极之间的串联电阻上的压降。在这两个检测方案中，电感电流检测过程中出现在开关节点上的寄生效应均能引发激振现象，因此在测量电感电流之前必须等待一段时间，即消隐时间。在低占空比操作过程中，这使得主开关建立并保持导通的时间变少。图A示出了主开关上的电感电流和电流感测信号，其由消隐时间和导通时间构成

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图A. 消隐时间指使用固定频率的峰值电流模式控制方案的降压降转换器中的主开关所能实现的最小导通时间

在低占空比操作过程中，即在输出电压比输入电压小很多时，主开关的导通总是由内部时钟控制的，而且与反馈回路无关，因此存在最小导通时间，其将电路操作限制在较高的开关频率。而且，由于建立时间的限制，在脉冲不够宽时不能感测电流。消隐时间决定了主开关的导通时间，仅有很少的时间可用于电流感测。在诸如手机和媒体播放器的便携式应用中，DSP内核需要0.9 V的输出电压。为了减小电感的尺寸以及解决方案的整体尺寸，应使用较高的开关频率。但是如果使用该控制方案，则在使用较高的开关频率时，很难由较高的输入电压生成低占空比的电压。

后沿调制控制方案的第二个缺点是其较差的瞬态响应。图B示出了针对负载电流的正向变化和负向变化的瞬态响应的典型波形。便携式应用中，在降低输出电容器的尺寸和成本的同时必须能够实现很快的瞬态响应。在输出端出现负载电流的正向阶跃增加时，输出响应可能延迟一个时钟周期。在负载电流的负向阶跃减小的情况中，转换器强行给出最小宽度高边导通时间，其由电流控制环的速度确定。因此在负向负载瞬态变化的过程中，不可能实现最小延迟响应，而且还将发生严重的过冲和下冲瞬态现象。为了减少该现象，必须将额外的电容添加到输出端。

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图B. 峰值电流模式控制的正向和负向负载电流响应

在固定频率下操作的峰值电流控制转换器的第三个缺点是，当占空比大于50%时，电路是不稳定的（图C），导致发生分频谐波振荡，这将使平均输出电流下降并且使输出电流波纹增加。对于大于50%的占空比，电感电流的增长量（ΔIL1）随着时间变大，导致了I2较大的增长量（ΔIL2）。为了解决这一问题，需要进行斜坡补偿，这增加了设计复杂度。典型的斜坡补偿方法是将外部斜坡信号添加到电感电流信号。

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图C. 固定频率峰值电流控制转换器在占空比大于50%时存在不稳定的问题

使用恒定导通时间谷值电流模式控制方案可以解决上面的问题。该方案被称为前沿调制，其中主开关的导通时间被设计成固定的，基于谷值电流感测信号调制关断时间，并且调节开关周期，使其等于导通时间加上关断时间。该架构能够提供主开关的最小导通时间，有助于在高频下进行操作，因此可以容易地由较高的输入电压产生较低电压输出。

在低电压DC-DC降压转换器中，主开关仅在10%的时间中是导通的，而同步开关在剩余的90%的时间中导通。这使得低边开关电流比主开关电流更容易进行采样和处理。

与检测电感峰值电流以确定主开关电流不同，在主开关的关断时间中对电感谷值电流采样。谷值电流感测方案加上恒定导通时间设计一起减少了回路延迟，因此能够实现更快的瞬态响应。

Ray Ridley（进一步阅读文献3）提出了这样一种观点，当外部斜坡等于电流信号的下降斜坡时，恒定频率控制的电流回路增益与恒定导通时间系统的电流回路增益相同。因此，对于恒定导通时间控制，回路增益相对于占空比保持不变，可以确保在所有条件下都是稳定的。相反地，在恒定频率峰值电流控制方案中，回路增益随着占空比的增加而增加，如果使用的外部斜坡时间不够，则可能导致系统不稳定。

恒定导通时间可变关断时间转换器能够在不使用斜坡补偿的情况下克服占空比大于50%时使用固定频率操作不稳定的问题。如果负载电流增加，则周期开始前和周期结束时的干扰是相同的，因此转换器保持在稳定状态，而这与占空比的状态无关。由于该架构中不使用固定的时钟，因此斜坡补偿是多余的。

恒定导通时间谷值电流控制的一个显著优点是限制降压转换器中的短路电流的能力。当降压转换器的输出短路且高边开关导通时，输出电压变为零，并且电感上的压降等于VIN。电感电流在 tON时间内迅速增加。电感放电时间tOFF由VOUT/L确定，VOUT被短路，因此tOFF也增加，。在电流下降到所需的谷值电流限制之前，高边开关不会再次导通。因此，该控制方案在短路条件下仅能传递固定的最大电流。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/25/2010)


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