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探索如何应用快如闪电的内部补偿式ACM拓扑

2017-09-04 13:31 来源:德州仪器 作者:电源网

具有内部补偿的高级电流模式(ACM)是TI开发的一款新型控制拓扑,可以支持真定频调制并与内部补偿同步。从根本上来说,该产品类似于仿真峰值电流模式(PCM)控制,可以维护一系列输入电压和输出电压的稳定性,形成快速的瞬态响应。ACM的不同之处在于,它是一款渐变型、峰值电流模式控制方案,无需外部补偿,即可在内部形成斜坡获得真定频。ACM对功率级变量(电感器和电容器)还具有良好的抗干扰性能,但在这里,我将更详细地介绍一下ACM的优点。

为何选择内部补偿式ACM?

有的控制拓扑无需外部补偿网络,即可支持真定频或伪定频。然而,使用中也存在一些缺点。

现存的大多数真定频/无外部补偿的转换器采用传统的峰值电流模式,将补偿组件从电路封装的外部转移到电路内部,同时配备了经过设计及优化的内部补偿器以满足各种应用。正因为内部补偿需要覆盖各种稳压范围,如果要实现快速的瞬态响应,内部回路和斜坡补偿则很难得到优化。环路带宽也必须有所限制以满足的大范围的实际应用。通常而言,您将会看到一个非常缓慢的瞬态响应,尤其在大负载电流发生阶跃变化时。

除此之外,还有配备恒定导通时间调制器的控制拓扑。正如TI的D-CAP™/D-CAP3™控制模式一样,这样的控制拓扑无需外部补偿即可维护伪定频。对某些VIN和VOUT而言,导通时间是恒定的,且在负载瞬态期间,开关频率有变化,从而可实现良好的瞬态性能。但是,这样的频率变化还会造成电磁干扰问题,特别对电磁干扰敏感的电信应用影响很大。具有内部补偿的ACM解决了固定频率和恒定导通时间控制所带来的问题。

如下图1所示的简化版ACM降压结构,无需外部补偿网络,就能提供从输出级至内部集成器的反馈电压信息。

简化版ACM降压结构

图1.简化版ACM降压结构

简单的控制结构所具备的优势:

输出电压反馈回路性能良好,操作简便。无需补偿网络,仅需RS1和RS2作为电阻分压器就可以感应Vout,并且被感应的Vout信息将通过VFB发送回控制回路。

因为PID(比例-积分-微分)或PI(比例-积分)补偿不借助外部元件,设计师可以不用采纳复杂的补偿设计,使其用起来更方便。

取消使用外部补偿元件还可以节省元件数量和宝贵的印制电路板空间。

内部补偿式ACM控制概视图

整体的ACM控制回路框图如下图2所示。ACM包含电压回路、斜坡回路、比较器、电流反馈和脉冲宽度调制(PWM)逻辑。

ACM控制的内部构件

图2.ACM控制的内部构件

各构件功能:

电压回路感应并处理VFB的错误信号。

斜坡回路根据VIN和PWM信号生成斜坡电压。经优化的斜坡补偿值仅为下降斜率斜坡电压的一半。

回路比较器可以产生输入信号,并且在正端输入总值等于负端输入总值时终止PWM循环。

电流反馈也利用直流电信息优化回路的Q因子。

PWM逻辑根据时钟和回路比较器的输出生成PWM信号。

传统PCM和内部补偿ACM的比较

表1显示了传统峰值电流模式和内部补偿ACM的比较: 

传统峰值CMC 内部补偿ACM

电流感应 难以感应150ns内用于MHz开关频率应用的高边FET电流。

DCR感应需要额外的引脚。 易于从低边FET感应直流电信息。

斜坡补偿 难以利用参数变量设计或优化斜坡补偿:感应器、Vout和Fsw。通常,更大的斜坡设计是为了配合更广的应用范围,但同时也带来了更慢的环路响应速度。 由于内部斜坡的下降斜率已知,因此经优化的斜坡补偿值为下降斜率斜坡电压的一半。

噪音抗扰度 直接关联到真正电流纹波和电流感应回路。 可调节的渐变振幅提供足够的噪声容限和低抖动。

补偿 直接关联到电流纹波和直流电信息。

当直流变化大且变化速度快以及必须在不同规格的系统中克服慢速积分器时,需要重新设计外部补偿。 单独对渐变振幅和直流值进行控制,可以在不同应用下轻松进行优化。

直流电流信息被感应时,由于存在内部补偿,积分器可能大幅减慢。

表1.传统峰值电流模式和内部补偿式ACM的比较

传统峰值电流模式和内部补偿式ACM的比较

结论

具有内部补偿的ACM控制是一款渐变型、峰值电流模式控制方案,无需外部补偿,即可在内部形成斜坡获得真定频。通过独立优化电压回路和斜坡回路的直流及交流部分,ACM可以提供比传统峰值电流模式更佳的瞬态响应。这种控制模式可以为无需外部补偿的可预见频率的应用提供优化的解决方案。TI的高性能TPS543B20和TPS543C20降压转换器内含全新的内部补偿式ACM控制。转换器支持25/40A,具有堆栈能力(仅TPS543C20),并且包括易用的内部补偿、低EMI噪音的固定频率和全微分感应,可以达到最佳的VOUT设定点精度。

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