ZHCA696E december 2020 – april 2023 INA240 , INA240-Q1 , INA241A , INA241B , INA253 , INA253-Q1 , INA254 , INA282 , INA282-Q1 , INA283 , INA283-Q1 , INA284 , INA284-Q1 , INA285 , INA285-Q1 , INA286 , INA286-Q1 , INA296A , INA296B , LMP8481 , LMP8481-Q1
應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)
大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源采用閉環(huán)反饋電路，以便在各種瞬態(tài)和負(fù)載條件下提供穩(wěn)定的電源。反饋方法選項(xiàng)分為兩大類：電壓模式控制 (VMC) 和電流模式控制 (CMC)。這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們可以根據(jù)具體情況來(lái)確定適合終端設(shè)備應(yīng)用的選項(xiàng)。
控制方法
電壓模式控制將經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓值用作反饋信號(hào)。該方法可為控制路徑提供簡(jiǎn)單直接的反饋架構(gòu)。使用該方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。最大的缺點(diǎn)是輸出電壓調(diào)節(jié)需要感應(yīng)輸出電壓的變化并通過(guò)整個(gè)反饋信號(hào)和濾波器進(jìn)行傳播，然后才能對(duì)輸出進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。對(duì)于需要高水平調(diào)制的系統(tǒng)而言，這可能會(huì)產(chǎn)生慢得無(wú)法接受的響應(yīng)。電源的反饋補(bǔ)償需要較高級(jí)別的分析，以解決輸出低通濾波器導(dǎo)致的兩個(gè)極點(diǎn)。此外，還必須對(duì)反饋補(bǔ)償值進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)椴煌妮斎腚妷簳?huì)影響總體環(huán)路增益。
電流模式控制可通過(guò)將電感器電流波形用于進(jìn)行控制來(lái)解決電壓模式控制的上述不足。該信號(hào)包含在輸出電壓反饋環(huán)路中，作為輔助的快速響應(yīng)控制環(huán)路。額外增加的反饋環(huán)路很有可能會(huì)增加電路/反饋的復(fù)雜性，因此需要將這些優(yōu)點(diǎn)作為設(shè)計(jì)要求的一部分進(jìn)行評(píng)估。
通過(guò)將電感器電流用作反饋控制的一部分：
- 與僅將輸出電壓用于反饋控制相比，增加的電流反饋環(huán)路以更快的速度響應(yīng)。此外，利用電感器電流信息，可以將電路設(shè)計(jì)為提供逐脈沖限流功能，以允許針對(duì)限流需求進(jìn)行快速檢測(cè)和控制。
- 電源看起來(lái)類似于電壓控制型電流源。這允許進(jìn)行模塊化電源設(shè)計(jì)，以支持在并行配置中的多個(gè)電源之間進(jìn)行負(fù)載共享。
- 可以將控制環(huán)路中的電感器影響降至最低，因?yàn)殡娏鞣答伃h(huán)路能夠有效地降低對(duì)單極補(bǔ)償?shù)囊蟆?/li>
盡管電流模式控制可應(yīng)對(duì) VMC 的某些缺點(diǎn)，但它也會(huì)帶來(lái)會(huì)影響電路性能的種種問(wèn)題。增加電流反饋環(huán)路會(huì)增加控制/反饋電路和電路分析的復(fù)雜性。選擇電流模式控制時(shí)，其他需要考慮的因素還包括整個(gè)占空比范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和對(duì)噪聲信號(hào)的敏感性。CMC 可以進(jìn)一步劃分為多個(gè)不同類型的控制方案：峰值、谷值、仿真、滯環(huán)和平均 CMC。以下內(nèi)容討論了電路設(shè)計(jì)中兩種常用的方法 — 峰值和平均電流模式控制。
峰值電流模式控制
峰值電流模式控制 (PCMC) 直接將電流波形用作 PWM 生成比較器中的斜坡波形，而不是像 VMC 那樣使用外部生成的鋸齒（或三角）信號(hào)。電感器電流或高側(cè)晶體管電流波形的上升斜坡部分用于在現(xiàn)有電壓控制環(huán)路之外提供快速響應(yīng)控制環(huán)路。如圖 1所示，將電流信號(hào)與電壓誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，以便生成電源的 PWM 控制信號(hào)。
圖 1 PCMC 電路方框圖開(kāi)關(guān)電源可在輸入和輸出電源軌之間實(shí)現(xiàn)高效率。為了維持轉(zhuǎn)換器的高效率，理想情況下用于測(cè)量電感器電流的檢測(cè)電阻應(yīng)盡可能小，以降低測(cè)量導(dǎo)致的功率損耗。該小值電阻器可導(dǎo)致小振幅反饋信號(hào)。電感器電流波形直接用作比較器輸入信號(hào)，因此 PCMC 容易受噪聲和電壓瞬態(tài)的影響，這是眾所周知的。使用 INA240 等具有高共模抑制比 (CMRR) 的電流檢測(cè)放大器可提供與脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)和系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的瞬態(tài)抑制功能。憑借 INA240 的增益靈活性，可對(duì)電感器電流波形進(jìn)行放大，從而獲得更大的信號(hào)以便進(jìn)行比較，而無(wú)需額外的增益，也不必犧牲性能。此外，低偏移和低增益誤差可減少設(shè)計(jì)變化和溫度變化。為了利用 PCMC，電感器電流需要高共模電壓測(cè)量。INA240 的共模范圍可實(shí)現(xiàn)寬電源輸入和輸出電壓范圍。
請(qǐng)注意，PCMC 通常會(huì)添加斜坡補(bǔ)償以解決占空比大于 50% 時(shí)的穩(wěn)定性問(wèn)題。系統(tǒng)會(huì)先為電感器電流添加斜坡補(bǔ)償，然后才將其用作比較器的輸入信號(hào)。
圖 2 ACMC 電路方框圖平均電流模式控制
平均電流模式控制 (ACMC) 會(huì)先利用電感器電流波形和附加的增益和集成級(jí)，然后再將信號(hào)與外部提供的斜坡波形進(jìn)行比較（與 VMC 相類似）。這可以提高抗噪性能并且無(wú)需斜坡補(bǔ)償。圖 2所示為降壓轉(zhuǎn)換器的 ACMC 運(yùn)行方框圖。
通過(guò)使用 INA240 的高 CMRR 來(lái)額外降低瞬態(tài)，可通過(guò) ACMC 將 PCMC 方法的噪聲敏感度提高到可接受的性能水平。INA240 的高共模范圍，不僅可進(jìn)行電感器電流測(cè)量，而且還能在寬輸出電壓范圍內(nèi)使用電流放大器。INA240 的高精度和低漂移規(guī)格可在整個(gè)溫度范圍和不同的組件上實(shí)現(xiàn)一致的測(cè)量。
INA240 可為測(cè)量精度提供必要的性能和特性，從而保持良好的控制信號(hào)完整性。INA240 在室溫下具有 25μV 的最大輸入失調(diào)電壓和 0.20% 的最大增益誤差規(guī)格。溫度穩(wěn)定性對(duì)維持系統(tǒng)性能而言非常重要，INA240 可提供 250nV/°C 的輸入失調(diào)電壓漂移和 2.5ppm/°C 的放大器增益漂移。INA240 具有增強(qiáng)型 PWM 抑制功能，可在較大的共模瞬態(tài)和寬共模輸入范圍內(nèi)提高性能，從而盡可能提高設(shè)計(jì)的電源輸出電壓范圍。