一种采用仿峰值电流模式的Buck型DC-DC设计

徐彦峰，王 胜，张 键，曹正州，张旭东

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

1 引言

近年来，伴随着开关电源技术的发展，使之适用于各种环境的控制技术也得到了飞速发展。相比于脉冲频率调制（PFM）和突发（Burst）模式，脉冲宽度调制（PWM）以其低噪声、高稳定性、低输出电压纹波以及能在较宽负载范围内保持较高转换效率等特点，成为开关电源设计中应用最为广泛的控制方式[1]。

PWM模式常见的控制方式为电压模式、峰值电流模式和平均电流模式，但这3种控制方式也有各自的缺点[2-3]。平均电流模式参数设计复杂、调试困难；电压模式动态响应速度慢、补偿结构复杂；峰值电流模式对噪声敏感且小占空比的条件下不稳定。

本文将峰值电流模式和电压模式结合在一起，提出了仿峰值电流模式。该模式克服峰值电流模式对噪声敏感且小占空比条件下不稳定的缺点，使之适用于宽输入电压的Buck型DC-DC。

2 电压模式与峰值电流模式原理[3]

2.1 电压模式

Buck型DC-DC电压模式的原理图如图1所示。它通过分压电阻将输出电压采集到误差放大器，然后将误差放大器输出的缓变直流信号与拥有固定频率和峰峰值的三角波相比较，得到一定脉宽的信号，用该信号来控制输出管的工作，从而形成只有一个反馈电压的闭环系统。

图1 电压模式控制原理图

电压模式的优点有：（1）单环反馈控制，系统结构简单；（2）三角波振幅较大且频率固定，在调制过程中可提供较好的噪声裕量；（3）低阻抗功率输出、对多路输出电源具有较好的交互调制效应；（4）占空比调节不受限制。

电压模式的缺点有：（1）任何输出负载电流的变化必须先转换成变化的电压信号，再经反馈环采样、反馈、调节，使得电压模式动态响应速度慢；（2）输出LC滤波结构为控制环引入了双极点，使补偿网络复杂度大大提升。

2.2 峰值电流模式

Buck型DC-DC峰值电流模式的原理图如图2所示。电压误差放大器(EA_V)将采集到的误差电压信号放大，输出到PWM比较器后，并不像电压模式那样与幅值、频率固定的三角波做比较，而是与一个由电流误差放大器(EA_I)采集电感电流产生的、其峰值代表电感峰值电流的斜坡信号作比较，最终得到PWM脉冲控制信号。

峰值电流模式是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。它是由电压外环和电流内环组成的双闭环控制系统。电流内环是瞬时快速按照逐个周期工作的，负责监控、反馈电感的电流和输入电压的变化情况，所以电压外环仅需控制输出电容，以保证输出电压的稳定。

图2 峰值电流模式控制原理图

峰值电流模式的优点有：（1）闭环响应速度快，对输入电压和输出负载变化都具有极快的响应速度；（2）由于电感处于电流内环反馈的环路中，这样就消除了电感带来的极点和二级特性，使整体系统成为一个由输出电容和负载电阻构成的单极点系统，相对于电压模式控制有更简单的补偿电路；（3）峰值电流模式拥有逐脉冲限流能力，相对于电压模式能更有效地保护电路。

峰值电流模式的缺点有：（1）PWM控制信号占空比大于50%时，峰值电流模式容易发生谐波振荡，需要做额外的斜坡补偿，增加了电路的复杂程度；（2）对噪声敏感，抗噪声能力差，因为电感的上升斜坡斜率通常较小，所以电流信号上较小的噪声信号都有可能改变开关器件的关断时刻，使电路发生振荡。

3 Buck型DC-DC中电感电流的变化

在说明仿峰值电流模式之前，我们需要知道Buck型DC-DC变换器中电感电流的变化情况[4]。Buck型DC-DC的拓扑结构及等效电路如图3所示。

图3 Buck型DC-DC拓扑结构及等效电路

根据其工作过程，它可以分为两个工作阶段：一是充电阶段，等效电路如图3（b）所示，另一个是续流阶段，等效电路如图3（c）所示。充电阶段电感两端的电压为：

由电感方程：

充电阶段电感电流的变化量为：

因为电感的寄生电阻RL和输出管的导通电阻RDS很小：

由上式可知，充电阶段电感电流固定斜率为：

同理可以推出，在续流阶段，电感电流的变化量为：

由上式可知，续流阶段电感电流固定斜率为：

所以Buck型DC-DC拓扑结构中的电感电流波形如图4所示。

图4 Buck型DC-DC电感电流波形

4 仿峰值电流模式的原理与设计

4.1 仿峰值电流模式的工作原理

峰值电流模式之所以抗噪声能力差，是因为它要采集电感上的电流作为PWM控制依据，然而电感电流的上升斜率较小，很容易受到外界噪声信号的干扰，噪声信号通过电流误差放大器的放大后会对电路稳定造成很大的影响；另外峰值电流逐周期电流检测的特点也大大增加了噪声信号通过电感进入系统的机会。

峰值电流模式中，当输出管尺寸大时寄生参数较大，在开关管导通瞬间会产生一个非常大的上升沿过冲。同时，电流测量也可能引入明显的传输延时，滤波器、传输延时都会限制能达到的最小脉冲宽度。在实际应用中，当输入电压远大于输出电压时，小脉宽和小占空比的控制就会非常困难[5]。

当然电流模式本身的优点也很明显，所以我们决定在峰值电流模式的基础上进行优化，对其抗噪声能力差、小占空比不稳定、大功率条件下有比较大的上升沿过冲等缺点做一定的改进。优化的关键就在于对电感电流信号的采样，改进原理图如图5所示。

图5 仿峰值电流模式控制原理图

我们用一个独立的、不需要测量就能反映电感电流上升过程的斜坡发生器来代替峰值电流模式中经过电流误差放大器输出的电感电流信号，这样既可以避免叠加在电感信号上的噪声，又能消除开关管通断瞬间产生的上升沿过冲对电路的影响，同时还能保留峰值电流模式逐周期调控的优点。这个斜坡发生器产生的仿电感电流信号包含2个元素，一个是采样保持的直流分量，一个是上升阶段电感电流的仿真电流斜坡。其理想波形如图6所示。

图6 仿电流斜坡发生器的理想波形图

4.2 仿峰值电流模式的设计

仿电流斜坡发生器的具体设计方案如图7所示。

图7 仿斜坡电流模式设计方案及理想波形示意图

4.2.1 采样保持直流分量的建立

该直流分量表示的是电感电流波动时谷值所对应的电压信号，它用来作为斜坡电流信号的动态起始点。采样电阻RS采集续流阶段电感L上的电流变化，并将采集到的电流信号通过电流误差放大器(EA_I)转化为可以反映电感电流变化的电压信号，然后通过CLK控制传输门的导通状态，使传输门在电感续流阶段结束时进入关断状态，这样电容C1就能保持该电压，作为仿电感充电阶段电流信号（电感电流通过电流误差放大器转化而成的电压信号）的起点。这一随电感电流逐周期变化的直流量的采集方式，保留了峰值电流模式对电路逐周期管理的特点，同时由于我们采集到的是半周期稳定状态里的信号作为直流分量，既减少了噪声信号对脉宽信号的干扰，又避免了大输出管在导通瞬间产生的上升沿过冲对电路的影响。

4.2.2 仿真电流斜坡的建立

此处电流斜坡实际上是指由电流信号通过电流误差放大器转换成的电压信号。由对Buck型DC-DC变换器中电感电流的分析可知，电感电流的变化量呈线性变化，若其变化量为ΔI，则有：

在峰值电流模式中，该电感电流变化量用采样电阻RS采集到电流误差放大器，通过电流：

式（10）中Rs和A都是固定值，所以该电压信号也为固定斜率变化的斜坡信号。

在峰值电流模式中Va信号会与电压误差放大器产生的电压信号相比较，从而生成脉宽控制信号；仿峰值电流模式从根本上来说就是要自建一个与Va完全一样的电压信号Vb，使得Va=Vb；

由电容方程：

我们可以得到以固定斜率变化的仿电流斜坡信号，该斜坡信号Vb可表示为：

若 Va=Vb，则有：

由上式可知，我们只需一个与VIN和VOUT相关的电流源，就可以实现对斜坡信号的模仿，使得Vb=Va，该电流源只需满足：

使用该电流源给固定电容C2充电，即可得到我们想要的斜坡信号。

由于在系统中是定值，而在不同输入输出条件下L值会不同，所以我们可以通过公式（16）来调整C2的大小，以适应L的变化：

5 仿峰值电流模式的验证

5.1 仿峰值电流模式的仿真

为了验证仿峰值电流模式电路的正确性，我们将其应用到一款宽输入电压的Buck型DC-DC电路中，做整体功能的仿真验证。在输入电压VIN=9 V、输出电压VOUT=5 V、负载电流IOUT=5 A、温度25℃、工艺脚为tt的条件下，使用HSPICE仿真，仿峰值电流模式电路中各个特征点的波形如图8所示。

图8 仿峰值电流模式仿真结果

仿真结果中各个特征点的波形与图7中的理想波形图相一致，从而证明了该模式结构的正确性。

5.2 Buck型DC-DC的整体仿真

证明了仿峰值电流模式逻辑的正确性，我们还需对其在Buck型DC-DC整体电路中的表现做出仿真验证，电路的整体仿真波形如图9所示。

图9 Buck型DC-DC的仿真波形图

上面的整体仿真波形图中，对稳定输出状态（图9（a）中①所指部分）和负载发生跳变的状态（图9（a）中②所指部分）的波形图像做了放大，放大后的波形图像分别如图 9（b）和图 9（c）所示。

从波形图中可以看出，仿峰值电流模式在Buck型DC-DC的应用中表现优秀，输出电压纹波非常小（5 mV），并且其负载瞬态响应速度快，能够在短时间（100 μs）内完成调整，保证了电路的高质量恒压输出。

5.3 Buck型DC-DC小占空比时的整体仿真

前文中我们提到，仿峰值电流模式克服了电流模式无法在小占空比条件下稳定工作的缺点，它能使Buck型DC-DC电路在小占空比下稳定工作，对此我们做了仿真验证，仿真条件为温度25℃、工艺脚tt、VIN=100 V、VOUT=5 V、IOUT=5 A，占空比，结果如图10所示。

图10 Buck型DC-DC小占空比下的仿真波形图

由图10可以看出，仿峰值电流模式能够使Buck型DC-DC电路在占空比时还能够稳定工作。所以仿峰值电流模式Buck型DC-DC使电路既保留了峰值电流模式动态响应速度快、逐脉冲过流检测、补偿结构简单等特点，又具有了电压模式抗噪声能力强且占空比调节不受限制的特点，其与电压模式、峰值电流模式Buck型DC-DC的优缺点对比如表1所示。

表1 仿峰值电流型与电压模式、峰值电流模式Buck型DC-DC优缺点对比

6 结束语

仿峰值电流模式BUCK型DC-DC实现了电压模式和峰值电流模式优点的整合，使得电路具有了外围补偿网络简单、抗噪声能力强、当输入电压或负载电流发生变化时动态调整速度快、占空比调节不受限制（使电路适用于宽电压范围输入和宽电压范围输出）、电感电流逐周期检测等优点。其与电压模式型Buck相比，动态反应时间缩短50%以上，与峰值电流模式Buck相比，在抑制动态负载响应时过冲电压降低30%以上。