電流模式控制 (CMC) 作為一種在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)高性能電壓調(diào)節(jié)的技術(shù)進(jìn)行了理論概述。現(xiàn)在我們將使用 LTspice 來(lái)仔細(xì)研究這些電路的實(shí)際工作原理。
我創(chuàng)建了 CMC 降壓轉(zhuǎn)換器的 LTspice 原理圖（圖 1），以幫助我們檢查 CMC 設(shè)計(jì)原理和操作。該電路是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，使用電壓和電流反饋來(lái)鎖定輸出電壓。
圖 1.峰值 CMC 降壓轉(zhuǎn)換器的 LTspice 原理圖。
原理圖審查
該實(shí)現(xiàn)基于德州儀器 (TI) 文檔“理解和應(yīng)用電流模式控制理論”圖 6 中的峰值 CMC 降壓轉(zhuǎn)換器。有一些重要的差異，我將在相關(guān)時(shí)對(duì)其進(jìn)行解釋。現(xiàn)在，讓我們檢查一下該原理圖的組件以及它們?nèi)绾螌?duì)電路的功能做出貢獻(xiàn)。
R Sense和 DIFF-AMP
通過(guò)放大與電感器 ( L )串聯(lián)的電流檢測(cè)電阻器 ( R SENSE ) 兩端的電壓來(lái)生成電流反饋信號(hào)。為了方便起見(jiàn)，我使用任意行為電壓源 (DIFF-AMP)，而不是 SPICE 版本的差分放大器。DIFF-AMP 輸出等于R SENSE兩端的電壓乘以 10。
總電流電壓增益可計(jì)算如下： RSENSE × GDIFF?AMP = 10 mΩ × 10 V/V = 0.1 V /A
反饋電壓和誤差放大器
輸出電壓連接至由R FB1和R FB2組成的電阻分壓器。該分壓器將反饋電壓 ( V FB ) 傳送至由V REF、U1、R COMP、C COMP和CH HF組成的補(bǔ)償誤差放大器。
完成控制循環(huán)
A1 和 A2 通過(guò)使用電流反饋信號(hào)和電壓誤差信號(hào)來(lái)完成控制環(huán)路，為開(kāi)關(guān)生成適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)波形，在此原理圖中，開(kāi)關(guān)被實(shí)現(xiàn)為 NMOS 晶體管。A1 是施密特觸發(fā)器緩沖器，由于具有差分輸入，因此起到比較器的作用，A2 是 SR 鎖存器。LTspice 將其稱(chēng)為 SRFLOP。
功率級(jí)
M1、M2、L、R SENSE和C OUT屬于功率級(jí)。請(qǐng)注意，C OUT值（圖 2）包括 1 mΩ 的ESR。
LTspice 窗口顯示 CMC 降壓轉(zhuǎn)換器仿真的輸出電容值。 電容為 100 F，包含 1 mΩ ESR。
圖 2. CMC 降壓轉(zhuǎn)換器仿真的C OUT （包括 ESR）。
我已經(jīng)在之前的文章中討論過(guò)降壓拓?fù)洌虼诉@里不會(huì)花太多時(shí)間。不過(guò)，我想對(duì)這個(gè)特定電路的功率級(jí)的某些方面進(jìn)行評(píng)論，即 M1 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓以及兩個(gè)開(kāi)關(guān)（而不是開(kāi)關(guān)和二極管）的存在。我們將在接下來(lái)的兩節(jié)中討論這些。
M1 和 M2 可以在圖 3 的左側(cè)看到，該圖顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)。
LTspice 原理圖的一部分。 完整原理圖顯示了 CMC 降壓轉(zhuǎn)換器。 該原理圖顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)。
圖 3.圖 1 中 CMC 降壓轉(zhuǎn)換器原理圖的功率級(jí)部分。
升壓 M1 柵極驅(qū)動(dòng)
正如我上面提到的，我們使用NMOS 晶體管作為電源開(kāi)關(guān) (M1)。我們不能像 FET 的源極接地一樣用任何舊的邏輯信號(hào)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O。
該電路中的主要邏輯電壓為 5V。由于V OUT也是 5V，我們可以很容易地得出結(jié)論：5V 的柵極電壓不足以將該 FET 轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У拈_(kāi)關(guān)。無(wú)論如何，我們希望柵極電壓高于V IN，而不僅僅是高于V OUT。
物理實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)包含電荷泵電路來(lái)增強(qiáng)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)解決這一復(fù)雜問(wèn)題。通過(guò) LTspice 實(shí)現(xiàn)，解決方案更加簡(jiǎn)單：我只需告訴 SR 鎖存器使用 15V 作為邏輯高電壓（圖 4）。
顯示 SRFLOP 值的 LTspice 窗口。 它顯示邏輯高電壓等于 15 V，邏輯低電壓等于 0 V。
圖 4. SR 鎖存器 (SRFLOP) 的邏輯高電壓定義。
同步整流
使用開(kāi)關(guān)代替二極管的技術(shù)稱(chēng)為同步整流。這種方法具有一系列優(yōu)點(diǎn)：引用TI關(guān)于電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中同步整流主題的應(yīng)用說(shuō)明，它“提高了效率、熱性能、功率密度、可制造性和可靠性，并降低了總體系統(tǒng)成本”的供電系統(tǒng)。”
有了這樣的認(rèn)可，就很難為我在切換器模擬中使用二極管辯護(hù)了。由于驅(qū)動(dòng)至完全導(dǎo)通的 FET 比正向偏置二極管降低的電壓更小，因此在實(shí)際應(yīng)用中同步整流更可取。然而，當(dāng)目標(biāo)是解釋基本原理而不是優(yōu)化性能時(shí)，二極管確實(shí)看起來(lái)更簡(jiǎn)單一些。另一方面，也許我只是懷念 20 世紀(jì) 90 年代之前的電路設(shè)計(jì)。
無(wú)論如何，第二個(gè)開(kāi)關(guān)必須有自己的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因?yàn)楫?dāng)高側(cè) FET (M1) 傳導(dǎo)電流時(shí)，低側(cè) FET（原理圖中的 M2）需要阻止電流，反之亦然。我通常會(huì)覺(jué)得這個(gè)要求有點(diǎn)煩人，但在這種情況下，根本沒(méi)有問(wèn)題——我們已經(jīng)使用 SR 鎖存器來(lái)生成 PWM 信號(hào)，并且鎖存器的 Q-not 輸出正是我們第二個(gè) FET 所需要的。
測(cè)量電流
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以以功耗轉(zhuǎn)換電壓而聞名，但令人有點(diǎn)失望的是，我們必須在潛在的高電流電路路徑中放置電阻元件（圖 5）。但總的來(lái)說(shuō)，為了獲得電流模式控制的好處，這只是一個(gè)很小的代價(jià)。
LTspice 原理圖的一部分。 完整原理圖顯示了 CMC 降壓轉(zhuǎn)換器。 這張?jiān)韴D顯示了電流檢測(cè)電阻。
圖 5.電流檢測(cè)電阻 ( R SENSE )。
R SENSE (10 mΩ)的值是平衡效率和精度的一種嘗試——我們希望減少功耗，同時(shí)生成足夠大的電壓，以與噪聲和放大器非理想情況良好競(jìng)爭(zhēng)。我的“放大器”是一個(gè)純粹的數(shù)學(xué)組件，除非您故意包含它，否則 SPICE 電路不會(huì)有噪聲，因此如果我們?cè)敢猓覀兛梢栽谠撃M中使用更小的電阻。
在物理電路中，像INA240這樣的器件是放大R SENSE電壓的不錯(cuò)選擇。 |
