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在LTspice中設計電流模式控制降壓轉換器

發(fā)布時間：2023-12-19 11:59:07 瀏覽：647次

電流模式控制 (CMC) 作為一種在 DC-DC 轉換器中實現(xiàn)高性能電壓調節(jié)的技術進行了理論概述?，F(xiàn)在我們將使用 LTspice 來仔細研究這些電路的實際工作原理。

我創(chuàng)建了 CMC 降壓轉換器的 LTspice 原理圖（圖 1），以幫助我們檢查 CMC 設計原理和操作。該電路是一個閉環(huán)系統(tǒng)，使用電壓和電流反饋來鎖定輸出電壓。

圖 1.峰值 CMC 降壓轉換器的 LTspice 原理圖。

原理圖審查

該實現(xiàn)基于德州儀器 (TI) 文檔“理解和應用電流模式控制理論”圖 6 中的峰值 CMC 降壓轉換器。有一些重要的差異，我將在相關時對其進行解釋?，F(xiàn)在，讓我們檢查一下該原理圖的組件以及它們如何對電路的功能做出貢獻。

R Sense和 DIFF-AMP

通過放大與電感器 ( L )串聯(lián)的電流檢測電阻器 ( R SENSE ) 兩端的電壓來生成電流反饋信號。為了方便起見，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組成的補償誤差放大器。

完成控制循環(huán)

A1 和 A2 通過使用電流反饋信號和電壓誤差信號來完成控制環(huán)路，為開關生成適當?shù)臇艠O驅動波形，在此原理圖中，開關被實現(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 將其稱為 SRFLOP。

功率級

M1、M2、L、R SENSE和C OUT屬于功率級。請注意，C OUT值（圖 2）包括 1 mΩ 的ESR。

LTspice 窗口顯示 CMC 降壓轉換器仿真的輸出電容值。電容為 100 F，包含 1 mΩ ESR。

圖 2. CMC 降壓轉換器仿真的C OUT （包括 ESR）。

我已經(jīng)在之前的文章中討論過降壓拓撲，因此這里不會花太多時間。不過，我想對這個特定電路的功率級的某些方面進行評論，即 M1 的柵極驅動電壓以及兩個開關（而不是開關和二極管）的存在。我們將在接下來的兩節(jié)中討論這些。

M1 和 M2 可以在圖 3 的左側看到，該圖顯示了降壓轉換器的功率級。

LTspice 原理圖的一部分。完整原理圖顯示了 CMC 降壓轉換器。該原理圖顯示了降壓轉換器的功率級。

圖 3.圖 1 中 CMC 降壓轉換器原理圖的功率級部分。

升壓 M1 柵極驅動

正如我上面提到的，我們使用NMOS 晶體管作為電源開關 (M1)。我們不能像 FET 的源極接地一樣用任何舊的邏輯信號驅動柵極。

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論：5V 的柵極電壓不足以將該 FET 轉變?yōu)橛行У拈_關。無論如何，我們希望柵極電壓高于V IN，而不僅僅是高于V OUT。

物理實現(xiàn)可以通過包含電荷泵電路來增強柵極驅動信號來解決這一復雜問題。通過 LTspice 實現(xiàn)，解決方案更加簡單：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

使用開關代替二極管的技術稱為同步整流。這種方法具有一系列優(yōu)點：引用TI關于電源轉換器設計中同步整流主題的應用說明，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)?！?/div>

有了這樣的認可，就很難為我在切換器模擬中使用二極管辯護了。由于驅動至完全導通的 FET 比正向偏置二極管降低的電壓更小，因此在實際應用中同步整流更可取。然而，當目標是解釋基本原理而不是優(yōu)化性能時，二極管確實看起來更簡單一些。另一方面，也許我只是懷念 20 世紀 90 年代之前的電路設計。

無論如何，第二個開關必須有自己的驅動信號，因為當高側 FET (M1) 傳導電流時，低側 FET（原理圖中的 M2）需要阻止電流，反之亦然。我通常會覺得這個要求有點煩人，但在這種情況下，根本沒有問題——我們已經(jīng)使用 SR 鎖存器來生成 PWM 信號，并且鎖存器的 Q-not 輸出正是我們第二個 FET 所需要的。

測量電流

開關穩(wěn)壓器以以功耗轉換電壓而聞名，但令人有點失望的是，我們必須在潛在的高電流電路路徑中放置電阻元件（圖 5）。但總的來說，為了獲得電流模式控制的好處，這只是一個很小的代價。

LTspice 原理圖的一部分。完整原理圖顯示了 CMC 降壓轉換器。這張原理圖顯示了電流檢測電阻。