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遲滯控制是最簡(jiǎn)單的穩壓控制方法之一。這種控制方法非常簡(jiǎn)單，只需在輸出電壓低于參考電壓時(shí)接通開(kāi)關(guān)，在輸出電壓上升到稍高于參考電壓時(shí)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。因此輸出紋波受到遲滯水平的直接影響。有些東西簡(jiǎn)單到難以想象，但并不總是越簡(jiǎn)單越好。隨著(zhù)輸入電壓的變化，開(kāi)關(guān)頻率往往也會(huì )有很大的變化。這是基于遲滯原理的穩壓設計的最大缺點(diǎn)之一。 為了改善這一狀況，業(yè)界開(kāi)發(fā)出了固定開(kāi)啟時(shí)間的控制技術(shù)，這種技術(shù)只需增加一點(diǎn)點(diǎn)復雜性，即能提供明顯改善的頻率控制性能。這種技術(shù)需要在控制電路的信號路徑上增加一個(gè)簡(jiǎn)單的單觸發(fā)定時(shí)器。單觸發(fā)定時(shí)器的周期可以進(jìn)行編程，它是輸入電壓的反函數。只需通過(guò)連接到Vin的單個(gè)電阻就能實(shí)現編程。不過(guò)在這種設計中遲滯控制電路仍然需要保留，因此在反饋引腳上仍需要一定的紋波電壓。很可惜，在某些情況下這一紋波分量可能超過(guò)所需。 陶瓷輸出電容會(huì )使紋波的相位偏離電感電流90°，因此不能提供正確控制主開(kāi)關(guān)所需的時(shí)序關(guān)系。圖1中所示的電路可以解決這些問(wèn)題，并且在某個(gè)例子中實(shí)現了完全與ESR無(wú)關(guān)，而電路復雜度只是稍許增加，輸出紋波則有明顯下降。 這些電路被配置為輸入電壓范圍為15V到75V，輸出10V標稱(chēng)電壓時(shí)電流為1.25A。大多數測試是在輸入電壓為30V時(shí)完成的。 COT穩壓器框圖和典型應用電路如圖1所示。 只要輸出電容C2具有足夠的ESR使其在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)呈現阻性，這個(gè)電路都將正常工作�？刂齐娐穼⑤敵龅娜遣y波的底部穩定在標稱(chēng)的2.5V。只要 Vout低于這一電平，取決于輸入電壓的開(kāi)啟時(shí)間就會(huì )被初始化，迫使輸出電壓稍微抬高一點(diǎn)。這一過(guò)程不斷地重復進(jìn)行。因此開(kāi)關(guān)頻率和輸出紋波受設置的開(kāi)啟時(shí)間所控制。如果輸出電容值非常大，就會(huì )有很少量的信號包含在輸出紋波中，造成反饋信號的信噪比非常低，電路就會(huì )對噪聲非常敏感。如果使用非常低ESR的電容，也會(huì )產(chǎn)生同樣的問(wèn)題，原因是信號幅度低，并且需要的信息被相移了90°。 圖2是一個(gè)22uF陶瓷輸出電容串聯(lián)一個(gè)1.5Ω電阻的情況。 這種電路可以提供限定的、控制良好的ESR。開(kāi)關(guān)電路非常穩定，工作可靠，但疊加在10V輸出上的紋波峰峰值接近500mV。在許多情況下這個(gè)結果可能完全可以接受，從而認為設計已經(jīng)完成。圖3是為了減少紋波而取消了1.5Ω電阻時(shí)的情況，結果令人失望。 降低紋波電壓 值得注意的是，開(kāi)關(guān)脈沖是成串出現的，紋波看起來(lái)非常接近正弦波。為了使紋波幅度下降約一半，只能放棄正確的操作。仔細觀(guān)察電路設計可以發(fā)現從哪里開(kāi)始改進(jìn)的首要線(xiàn)索。需要注意的是，R1/R2分壓器用于向穩壓器提供反饋并設置想要的輸出電壓。這個(gè)分壓器會(huì )同時(shí)衰減紋波電壓和直流電平，因此會(huì )降低供給控制電路的有效交流信號。這里所說(shuō)的穩壓器參考電壓是2.5V，因此對于10V輸出來(lái)說(shuō)分壓比是4:1。如果上面的分壓電阻R1再并接一個(gè)電容，并且這個(gè)電容在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)的阻抗低于R1，那么就可以顯著(zhù)地改善交流信號，同時(shí)不影響直流穩壓。將拐點(diǎn)頻率設在開(kāi)關(guān)頻率的大約1/10處。當開(kāi)關(guān)頻率為500kHz 時(shí)，對RC來(lái)說(shuō)意味著(zhù)50kHz的截止頻率。由于C=1/2πRF，當R1等于3kΩ時(shí)，可以計算得到電容值大約為1,000pF。因此可以獲得增加4倍的交流反饋信號，從理論上講應該可以將ESR減少4倍，并重新獲得正確操作。折合成ESR為375mΩ。新電路如圖4所示。 圖5顯示了上面過(guò)程的結果。紋波下降到約150mV峰峰值，開(kāi)關(guān)頻率則與先前例子中幾乎相同。 如果負載端有另外的電容，問(wèn)題就來(lái)了。為了正常工作，對取決于濾波電容ESR的設計來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)特別需要加以關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，只要附加電容與穩壓器的輸出電容之間有數英寸的距離，那么兩部分電路之間就有足夠的引線(xiàn)電感進(jìn)行隔離，電路不會(huì )受到負面影響。這里有個(gè)例子，即在距離主輸出電容約1英寸的地方增加一個(gè)10uF、35V、125mΩ ESR的鉭電容�？梢钥吹�，紋波現在下降到了約35mV峰峰值，如圖6所示。值得注意的是，輸出紋波電壓仍與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓同相。這意味著(zhù)負載在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)仍呈很大的阻性。 然而，在靠近輸出電容很近的地方增加較大容值的陶瓷電容就很可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。圖7說(shuō)明了將一個(gè)2.2uF的陶瓷電容緊靠輸出電容連接時(shí)發(fā)生的情況。 開(kāi)關(guān)脈沖又開(kāi)始成串地集中出現。問(wèn)題是由與主輸出電容的ESR并行放置的附加濾波電容引起的。如果這個(gè)附加電容和輸出電容的ESR的轉角頻率接近穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率，有效ESR就開(kāi)始減少，控制電路“看到”的紋波開(kāi)始衰減。然而，如果附加電容與主輸出電容的距離至少有幾英寸時(shí)，就會(huì )有足夠的引線(xiàn)電感有效地將主輸出電容和附加電容隔離開(kāi)來(lái)，電路也就能正常工作。從紋波波形可以看出，紋波與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形之間有明顯的相位偏移。這就意味著(zhù)負載在開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)呈現很大的容性，而這是不希望看到的結果。 對電路進(jìn)行改進(jìn) 也許最佳方案是由人工產(chǎn)生需要的紋波信息并反饋給控制器，讓控制器以為是真正想要的東西。這樣能把輸出紋波做得任意小，同時(shí)仍能保證電路正常工作。見(jiàn)圖8。 R4、C7和C8網(wǎng)絡(luò )組成三角波發(fā)生器，向FB引腳提供所需的信息。電阻R4和電容C7對電感上的電壓進(jìn)行積分，產(chǎn)生的信號再通過(guò)C8交流耦合到反饋引腳。正常情況下，電感對其上面的電壓進(jìn)行積分，并產(chǎn)生三角電流波形，流經(jīng)輸出電容的ESR后產(chǎn)生用于反饋的三角電壓波。這里的RC電路做的事也非常相似。電容C7對經(jīng)過(guò)R4的電流(正比于加在R4電阻上的電壓)進(jìn)行積分。該電壓與電感兩端的電壓是相同的。就反饋電路而言，兩者實(shí)質(zhì)上指的是同一件事。來(lái)自前面電路的ESR電阻已經(jīng)被完全取消，電路中唯一的ESR只是22μF陶瓷電容的ESR，因此總的ESR大約在10mΩ數量級。 作為這種實(shí)現的結果，Vout端的紋波電壓如圖9所示。 紋波現在已經(jīng)到了15mV峰峰值數量級。同時(shí)觀(guān)察到測得的尖峰電平與以前相比也有所降低。這只是因為已經(jīng)消除了開(kāi)關(guān)節點(diǎn)測量。與帶有噪聲的信號源連接的另外一個(gè)示波器探頭會(huì )幅射一定的能量，這一能量會(huì )被紋波測量探頭采集。因此在做非常精確的紋波測量時(shí)最好使用單個(gè)探頭。 在15V到50V輸入范圍內的線(xiàn)性調整度約為20mV。這個(gè)設計完全不受額外的大容量輸出電容的影響。它要求零ESR，可以一直保持工作良好。如果環(huán)境有噪聲或布線(xiàn)未經(jīng)優(yōu)化，只需簡(jiǎn)單地減小積分器的時(shí)間常數并產(chǎn)生稍多一點(diǎn)信號就行。 這種技術(shù)的設計過(guò)程相當簡(jiǎn)單。在理想開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)的積分電容阻抗應小于反饋分壓電阻。由于在本例中有效分壓電阻稍低于1,000Ω(1,000Ω與 3,000Ω并聯(lián))，C7在500kHz頻率點(diǎn)的阻抗應選在100Ω左右，此時(shí)可以計算得到容值約為3300pF。由于Vin-Vout與產(chǎn)生的紋波電壓相比非常大，因此可以把R4當作是一個(gè)理想的電流源。電流值等于(Vin-Vout)/R4。目標紋波電壓可以較隨意地選為50mV峰峰值。充電電容遵循 I/C=dV/dt。當輸入為30V時(shí)開(kāi)啟時(shí)間約為650ns。dV選為50mV，C為3,300pF。根據公式可以算出I約為250uA。根據R= (30V-10V)/250uA，R選為75kΩ。交流耦合電容值比積分電容大3到4倍，可以選為0.01uF。這些值都不需要非常嚴格。 需要注意的是，當負載足夠輕以至于強迫電路進(jìn)入不連續的傳導模式工作(DCM)時(shí)，紋波會(huì )有所增加(如圖10所示)。 在這種情況下，40mA輸出時(shí)的紋波峰峰值接近1A輸出時(shí)峰峰值的兩倍，當負載為零時(shí)將增加到約25mV峰峰值。上面的軌跡是DCM下的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。相對頻率較高的振鈴是電感與開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上寄生電容諧振的結果。這對任何處于DCM狀態(tài)的穩壓器來(lái)說(shuō)都是正常并可以預料到的。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電容由二極管電容、高側開(kāi)關(guān)輸出電容和與任何與PCB布線(xiàn)有關(guān)的雜散電容等組成。這種振鈴不需要進(jìn)行任何處理，它不會(huì )引起任何問(wèn)題。 本文小結 綜上所述，基于固定開(kāi)啟時(shí)間的穩壓器設計可以提供較低的輸出紋波，同時(shí)仍保持原始設計的很多簡(jiǎn)潔性。對輸出電容ESR沒(méi)有要求的COT穩壓器非常實(shí)用，生成的設計可以完全不用考慮與大電容負載有關(guān)的穩定性問(wèn)題，因此無(wú)需過(guò)多考慮反饋環(huán)路的穩定性問(wèn)題即能獲得與復雜得多的時(shí)鐘控制PWM系統相同的性能。 |
