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降壓轉(zhuǎn)換器電流取樣電阻三種位置的選擇

發(fā)布時間:2009-10-26 來源:萬代半導(dǎo)體元件上海有限公司

中心議題:
  • 電流模式降壓轉(zhuǎn)換器的取樣電阻放置位置:輸入端、輸出端及續(xù)流管
  • 三種位置各自的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)
  • 峰值電流模式和谷點(diǎn)電流模式的工作原理
  • 使用高端主開關(guān)管導(dǎo)通電阻等設(shè)計應(yīng)該注意的問題
解決方案:
  • 在輸入端,使用高端MOSFET導(dǎo)通電阻作電流取樣電阻
  • 在續(xù)流端,配置為谷點(diǎn)電流模式,用續(xù)流MOSFET導(dǎo)通電阻作電流取樣電阻
  • 在輸出端,常用峰值電流模式,用電感DCR作電流取樣電阻
盡管電流模式的降壓轉(zhuǎn)換器需要精密的電流檢測電阻,并且會影響到系統(tǒng)的效率和成本,但它仍然獲得了廣泛的應(yīng)用,這是因為其具有以下優(yōu)點(diǎn):①反饋內(nèi)在cycle-by-cycle峰值限流;②電感電流真正的軟起動特性;③精確的電流檢測環(huán);④輸出電壓與輸入電壓無關(guān),一階系統(tǒng)容易設(shè)計反饋環(huán),系統(tǒng)的穩(wěn)定余量大,且穩(wěn)定性好,對于所有陶瓷電容容易補(bǔ)償;⑤易實(shí)現(xiàn)多相位/多轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)操作,以得到更大輸出電流;⑥允許大的輸入電壓紋波,從而減小輸入濾波電容。

對于電流模式的降壓轉(zhuǎn)換器,電流的取樣電阻有三種不同的放置方式:①放置在輸入回路,即與高端主開關(guān)管相串聯(lián);②放置在輸出回路,即與電感相串聯(lián);③放置在續(xù)流回路,即與續(xù)流二極管或同步開關(guān)管串聯(lián)。有時候為了提高效率,可以取消外加的取樣電阻,用高端主開關(guān)管的導(dǎo)通電阻、電感DCR或續(xù)流同步開關(guān)管的導(dǎo)通電阻作電流取樣電阻。本文將詳細(xì)地闡述這些問題,并比較它們各自的優(yōu)缺點(diǎn),從而使電源工程師有針對性地選取不同的架構(gòu),來滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

電流取樣電阻在輸入端的降壓轉(zhuǎn)換器

電流取樣電阻在輸入端的降壓轉(zhuǎn)換器如圖1所示。在電流模式的降壓轉(zhuǎn)換器拓樸結(jié)構(gòu)中,反饋有兩個環(huán)路:一個電壓外環(huán),另一個是電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)包括電壓誤差放大器、反饋電阻分壓器和反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)。電壓誤差放大器的同相端接一個參考電壓Vref,反饋電阻分壓器連接到電壓誤差放大器反相端VFB,反饋環(huán)節(jié)連接到VFB和電壓誤差放大器的輸出端VC。若電壓型放大器是跨導(dǎo)型放大器,則反饋環(huán)節(jié)連接到電壓誤差放大器的輸出端VITH和地。目前,在高頻DC/DC的應(yīng)用中,跨導(dǎo)型放大器應(yīng)用更多。本文就以跨導(dǎo)型放大器進(jìn)行討論。輸出電壓微小的變化反映到VFB引腳,VFB引腳電壓與參考電壓的差值被跨導(dǎo)型放大器放大,然后輸出,輸出值為VITH??鐚?dǎo)型放大器輸出連接到電流比較器的同相端,電流比較器的反相端輸入信號為電流檢測電阻的電壓信號VSENSE。由此可見,對于電流比較器,電壓外環(huán)的輸出信號作為電流內(nèi)環(huán)的給定信號。對于峰值電流模式,工作原理如下:在時鐘同步信號到來時,高端的主開關(guān)管開通,電感激磁,電流線性上升,電流檢測電阻的電壓信號也線性上升。由于此時電壓外環(huán)的輸出電壓信號高于電流檢測電阻的電壓,電流比較器輸出為高電壓;當(dāng)電流檢測電阻的電壓信號繼續(xù)上升,直到等于電壓外環(huán)的輸出電壓信號時,電流比較器輸出翻轉(zhuǎn),從高電平翻轉(zhuǎn)為低電平,邏輯控制電路工作,關(guān)斷高端主開關(guān)管的驅(qū)動信號,高端的主開關(guān)管關(guān)斷,此時電感開始去磁,電流線性下降,到下一個開關(guān)周期開始的時鐘同步信號到來,如此反復(fù)。

圖1電流取樣電阻在輸入端的同步降壓轉(zhuǎn)換器

由此可見,峰值電流模式檢測的是上升階段的電流信號。在每個開關(guān)周期,輸入回路高端的主開關(guān)管流過的電流波形為上升階段的梯形波,續(xù)流回路低端的開關(guān)管流過的電流波形為下降階段的梯形波,而輸出回路電感的電流波形為包含上升和下降階段的鋸齒狀波形。因此,如果電流取樣電阻放在降壓轉(zhuǎn)換器的輸入回路,系統(tǒng)一定工作于峰值電流模式。

對于降壓轉(zhuǎn)換器,輸入電壓高于輸出電壓,電流取樣電阻放在Buck轉(zhuǎn)換器的輸入回路,那么電流比較器的兩個輸入引腳的共模電壓為高輸入電壓。對于輸入電壓大于12V的應(yīng)用,電流比較器的兩個輸入引腳的共模電壓也必然大于12V,這樣電流比較器的成本很高。因此,電流取樣電阻放在降壓轉(zhuǎn)換器的輸入回路,一般應(yīng)用于低輸入電壓,尤其是低輸入電壓單芯片的降壓轉(zhuǎn)換器。高端的功率MOSFET集成在單芯片中,由于電流取樣電阻放在降壓轉(zhuǎn)換器的輸入回路,所以電阻取樣和電流比較器均可以集成在單芯片中,設(shè)計十分緊湊。要注意的是,高端的主開關(guān)管和低端的同步續(xù)流管之間,要設(shè)定一定的死區(qū)時間,以防止上下管的直通。

如果采用高端的功率MOSFET導(dǎo)通電阻作為電流取樣電阻,可以省去額外的電流取樣電阻,從而提高效率。由于MOSFET的導(dǎo)通電阻值比較分散,而且隨溫度的變化也會在較大范圍內(nèi)波動,因此電流取樣的精度較差。峰值電流模式容易受到電流信號前沿尖峰干擾。在占空比大于50%時需要斜坡補(bǔ)償。

電流取樣電阻在續(xù)流端的降壓轉(zhuǎn)換器

通過前面的討論可知,在每個開關(guān)周期,低端的開關(guān)管流過的電流波形為下降階段的梯形波。這種電流模式常稱為谷點(diǎn)電流模式。和峰值電流模式一樣,谷點(diǎn)電流模式反饋也有兩個環(huán)路:一個電壓外環(huán),另一個是電流內(nèi)環(huán)(見圖2)。

 
圖2電流取樣電阻在續(xù)流端的同步降壓變換器

其工作原理如下:高端的主開關(guān)管開通,電感激磁,電流線性上升;高端MOSFET導(dǎo)通一段時間,此時間由PWM設(shè)定;當(dāng)高端MOSFET關(guān)斷后,低端MOSFET導(dǎo)通,此時電感開始去磁,電流線性下降。注意,低端MOSFET的電流隨著時間線性下降,電流檢測電阻的電壓信號也線性下降,由于此時電壓外環(huán)的輸出電壓信號低于電流檢測電阻的電壓,電流比較器輸出為低電平。當(dāng)電流檢測電阻的電壓信號繼續(xù)下降,直到等于電壓外環(huán)的輸出電壓信號時,電流比較器的輸出翻轉(zhuǎn),從低電平翻轉(zhuǎn)為高電平,邏輯控制電路開始工作,關(guān)斷低端的續(xù)流開關(guān)管的驅(qū)動信號,高端的主開關(guān)管開通,此時電感開始激磁,電流線性上升,進(jìn)入下一個周期,如此反復(fù)。同樣,高端的主開關(guān)管和低端的同步續(xù)流管之間,要設(shè)定一定的死區(qū)時間,以防止上下管的直通。
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谷點(diǎn)電流模式具有寬電壓范圍、低占空比、易檢測電流和快速負(fù)載響應(yīng)的特點(diǎn)。在占空比小于50%時需要斜坡補(bǔ)償。負(fù)載響應(yīng)快速的原因在于,谷點(diǎn)電流模式從當(dāng)前的脈沖周期響應(yīng),而峰值電流模式從下一個脈沖周期響應(yīng)。

當(dāng)輸入和輸出電壓變化時,若高端MOSFET導(dǎo)通的時間固定不變,那么系統(tǒng)將工作在變頻模式,不利于電感的優(yōu)化工作。因此在PWM內(nèi)部需要一個前饋電路,使高端MOSFET的導(dǎo)通時間可隨輸入電壓成反比變化,及隨輸出電壓成正比變化,從而在輸入電壓和負(fù)載變化時,維持轉(zhuǎn)換器近似工作于定頻方式。

如果采用低端續(xù)流功率MOSFET導(dǎo)通電阻作為電流取樣電阻,可以省去額外的電流取樣電阻,從而提高效率。同樣,由于MOSFET導(dǎo)通電阻值比較分散,而且隨溫度的變化也會在較大范圍內(nèi)波動,因此電流取樣的精度差。但這種配置通常應(yīng)用于高輸入電壓,低輸出電壓及大輸出電流的轉(zhuǎn)換器中。

電流取樣電阻在輸出端的降壓轉(zhuǎn)換器
  
通過前面的討論知道,輸出回路電感的電流波形為包含上升和下降階段的鋸齒狀波形。因此,當(dāng)電流取樣電阻在輸出端時(見圖3),轉(zhuǎn)換器可以工作于谷點(diǎn)電流模式,也可工作于峰值電流模式。而通常這種配置工作于峰值電流模式。

圖3電流取樣電阻在輸出端的同步降壓變換器

由于輸出電壓低,那么電流比較器的兩個輸入引腳的共模電壓較低,因此可以使用低輸入共模電壓的差動放大器,提高電流檢測的精度,降低噪聲。這種配置的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以使用電感的DCR作為電流檢測電阻。要注意的是,在電感值和飽和電流滿足整個輸入電壓范圍,和輸出負(fù)載電流范圍的前提下,對電感的DCR有一定限制,因而在一些應(yīng)用中需要定制電感。

此外,電流比較器的輸入阻抗要大,兩個輸入引腳的偏置電流要小,從而提高使用DCR作為電流檢測電阻時的檢測精度。相關(guān)的濾波元件也在設(shè)計中作相應(yīng)的匹配,如圖4所示。


 
圖4電感DCR作電流取樣電阻的濾波網(wǎng)絡(luò)
  
通常,由于DCR值大于設(shè)計要求的電阻值,因此需要一個電阻分壓器來得到所需要的電壓值。

另外,為了滿足濾波器時間的要求,必須使:

事實(shí)上,在設(shè)計中還要考慮到溫度變化時,DCR也會發(fā)生變化,這將會影響電流取樣的精度。在有些PWM的設(shè)計中,也會將電流比較器的參考基準(zhǔn)電壓設(shè)計為可調(diào)整,從而增加電感使用的通用性。

結(jié)語

①電流取樣電阻放在輸入端,可配置為峰值電流模式,使用高端MOSFET導(dǎo)通電阻作電流取樣電阻可提高效率,但影響電流取樣精度。

②電流取樣電阻放在續(xù)流端,可配置為響應(yīng)速度快的谷點(diǎn)電流模式,使用續(xù)流MOSFET導(dǎo)通電阻作電流取樣電阻可提高效率,但影響電流取樣精度。

③電流取樣電阻放在輸出端,可配置為峰值和谷點(diǎn)電流兩種模式,常用峰值電流模式。使用電感DCR作電流取樣電阻可提高效率,但設(shè)計和調(diào)試變得復(fù)雜,同時影響電流取樣精度。
  
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