用高级仿真电流模式AECM DC/DC控制拓扑实现快速负载瞬态响应和低EMI (电流保护仿真)

什么是AECM控制？有许多类型的控制拓扑可解决非隔离开关DC/DC转换器和*的特定设计挑战[1]，包括峰值电流模式控制(PCM)、电压模式控制、恒定导通时间(COT)控制、D-CAP2™控制拓扑及其所有衍生产品。根据占空比的实现，可以将这些控制拓扑分为两类：脉宽调制（PWM）技术和脉冲频率调制（PFM）技术。PWM技术在用于为通信、音频和汽车设备供电的DC/DC转换器中很常见。它具有固定且可预测的开关频率，便于设计低电磁干扰(EMI)的输出滤波器。PFM技术在用于为图形引擎、存储器、数字信号处理器和现场可编程门阵列等数字应用供电的DC/DC转换器中很常见，因为它具有快速的负载瞬态响应。控制拓扑确实会影响DC/DC转换器设计，并且可能会根据*级要求而有所不同，例如纹波、解决方案尺寸、负载瞬态响应、固定频率和轻负载效率。没有单一的控制拓扑适合所有应用。在本*中，我将介绍一种基于恒定频率和电感电流的控制拓扑，该拓扑具有智能环路带宽控制，称为高级*电流模式(AECM)。这种新的控制拓扑结合了PFM和PWM技术的优点，显示出快速负载瞬态响应和真正的固定开关频率*作。AECM可以帮助提高当前使用PCM和PFM技术的应用程序的性能。

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图1.PCM控制方案框图。图片由Bodo'sPowerSystems提供PCMPCM是一种流行的DC/DC转换器固定频率控制拓扑，因为它具有过载保护、准确性和易于补偿的特点。图1说明了降压转换器的PCM控制。功率级由功率开关和输出滤波器组成。补偿模块包括输出分压器网络、误差放大器、参考电压和补偿元件。脉宽调制器使用比较器将电感电流信息与斜率补偿斜坡与误差信号进行比较，从而产生一个宽度可通过误差信号电平控制的输出脉冲序列。如图2所示，内部时钟启动一个脉冲，高端场效应晶体管(FET)开启，电感中的电流增加。当检测到的电流达到控制电压时，高侧FET关闭，低侧FET开启，直到时钟的下一个上升沿。在下一个时钟脉冲产生下一个PWM脉冲。因此，取决于时钟的开关频率是真正固定的。

图2.PCM控制方案波形。图片由Bodo'sPowerSystems提供PCM控制引入了一个内部电流环路，它将电感器转换为电压控制的电流源。功率级可以近似为一个电流源，为输出电容和负载电阻的并联组合供电，并产生一个低频极点。功率级还包括一个由输出电容器设置的高频零点及其等效串联电阻(ESR)。II型补偿通常引入一零一极来补偿输出极点和输出零点。使用传统PCM控制设备进行设计的工程师更喜欢外部补偿，以便为宽输出电压范围的应用实现良好的环路性能。然而，外部补偿使环路设计复杂化并且需要更多的外部元件。为了简化设计，越来越多的集成电路(IC)制造商开发了内部补偿PCM*件，将Type-II环路补偿与Rc、Cc1和Cc2集成在一起。Rc和Cc1产生一个固定的内部零点来补偿输出极点，而Rc和Cc2产生一个固定的内部高频极点来补偿输出零点。然而，有效输出电容和负载电阻都会对输出极点产生影响。为了支持宽输出电压范围或宽输出电容范围，您必须将固定内部零设置得相对较低才能获得良好的稳定性。更重要的是，PCM控制的交叉频率（fc）被设计成满足fsw/5

图3.D-CAP2™控制方案框图。图片由Bodo'sPowerSystems提供

图4.D-CAP2控制方案波形。图片由Bodo'sPowerSystems提供当*斜坡电压和反馈电压低于参考电压时，比较器输出变为高电平以启动导通时间脉冲。导通时间脉冲(Ton)的宽度是恒定的，因为它是由自适应导通时间发生器根据输入电压、输出电压、输出电流和频率设置计算得出的。关断时间取决于电压纹波，它在线路或负载瞬态期间有一些变化。结果，开关频率是伪固定的。在导通期间，高侧FET开启，电感电流增加以对输出电压充电。导通时间过后，高侧FET关闭，低侧FET开启。输出电压下降，直到产生下一个导通时间脉冲。因为D-CAP2控制拓扑没有集成振荡器或时钟，导通时间可能会受到从逻辑到驱动器的传播延迟的影响，从而导致抖动性能不佳。这就是IC制造商不容易设计具有D-CAP2控制拓扑的高开关频率降压转换器(2.1MHz)的主要原因。此外，*斜坡生成电路在不同负载条件下存在不同的失调电压，导致输出电压精度较差。D-CAP控制拓扑要求输出上有一些纹波，低ESR电容器可能会成为问题。这就是工程师需要D-CAP2控制的原因。D-CAP2降压转换器的内部*斜坡发生器电路也存在一些*，因此传统的D-CAP2降压转换器只能支持高达7V的输出。还有最低关断时间要求由于谷底电压检测；因此，不建议将D-CAP2控制用于大占空比应用。

图5.D-CAP2™降压转换器的波特图。图片由Bodo'sPowerSystems提供参考文献[2]提出了DCAP2控制拓扑的开环传递函数。图5显示了相应的波特图。*斜坡生成模块引入了一个内部零点，可以消除由输出电感和电容设置的双极点，从而使增益图以每十倍频的–dB斜率穿过水平线0dB，并提升相位在交叉频率的余量。等式1将开环传输的直流增益表示为：G(0)=A×H(0)=A×V(1)其中Acp=(R1+R2)/R2。由于Acp和Vref是恒定的，因此直流增益与VOUT成反比。如图6所示，如果VOUT1>VOUT0>VOUT2，则直流增益趋势为Gain1

图6.D-CAP2™降压转换器在不同VOUT条件下的波特图。图片由Bodo'sPowerSystems提供AECM控制优势AECM是一种基于固定频率调制器的新拓扑，具有用于环路控制的*电流信息，结合了PCM控制的固定频率和D-CAP2控制拓扑的快速负载瞬态响应。AECM的主要特点和优势包括：真正的固定频率调制，可以简化EMI滤波器设计，轻松实现2.1MHz等高频调制。具有智能环路带宽控制的*斜坡发生器电路，可智能调节直流增益，支持具有良好负载瞬态性能的宽输出和高占空比应用。可以简化降压转换器的AECM控制，如图7所示。有两种基本*作模式，PWM模式和PFM模式，可由模式检测模块选择。电压环路中的积分器可以改善输出电压精度问题。

图7.AECM控制框图。图片由Bodo'sPowerSystems提供集成振荡器产生固定时钟。在PWM模式下占空比高于%时，在调制器中实施斜率补偿可避免次谐波振荡。带有智能环路带宽控制电路的*斜坡发生器可以调整直流增益，以在所有输*上实现高带宽。即使有积分器，与PCM控制不同，AECM控制中的积分器也可以提高输出电压精度，而不会直接影响回路响应速度。AECM控制的工作原理PWM*作模式PWM模式控制方案类似于PCM控制。如下页图8所示，内部时钟以一个onpulse开头；高边FET然后开启，电感中的电流增加。当*斜坡电压、反馈电压和斜坡补偿电压达到集成参考电压时，高侧FET关闭，低侧FET开启，直到下一个时钟周期。因此，在PWM模式下，开关频率是真正固定的。

图8.AECM控制方案波形：PWM工作模式（a）；PFM*作模式(b)。图片由Bodo'sPowerSystems提供图9显示了AECM设备的负载瞬态行为。占空比随着VOUT的减小或增大而增大或减小。PFM*作模式AECM控制实施PFM模式以在轻负载下实现高效率。随着负载电流的降低，器件从连续导通模式(CCM)进入非连续导通模式(DCM)。在这两种模式下，开关频率都是固定的；导通脉冲宽度(Ton)取决于负载电流。较轻的负载具有较短的吨。AECM有一个类似于D-CAP2控制拓扑的准时发生器，但该发生器在PWM模式下被禁用。

图9.占空比随负载电流的变化：负载升压(a)；负载降压(b)。图片由Bodo'sPowerSystems提供随着负载电流的进一步降低，Ton降低到内部钳位导通时间，而AECM设备进入PFM模式，内部时钟被阻止并启用导通时间发生器。如图8所示，PFM模式的控制方案类似于D-CAP2控制方案。下页的图显示了PWM模式和PFM模式之间的转换波形。

图.AECM的PWM模式和PFM模式之间的转换波形：PWM模式到PFM模式（a）；PFM模式转为PWM。图片由Bodo'sPowerSystems提供智能环路带宽控制与PCM控制不同，直接电感电流信息位于环路中，AECM使用*电感电流信息。AECM控制的输出滤波器引入了一个双极点，类似于D-CAP2控制拓扑。因此，AECM控制的波特图类似于D-CAP2控制拓扑。在D-CAP2控制中，Acp是恒定的，开环传递函数的直流增益随VOUT而变化。在AECM控制中，Acp根据VOUT设置适应R2的变化值，以使Acp×VOUT保持恒定值以获得固定的直流增益。如图所示，假设不同输出的双极点相同，与D-CAP2控制的环路带宽相比，不同输出下的环路带宽应该更接近。下页的图显示了在不同VOUT条件下AECM控制的测量波特图。直流增益几乎相同。由于输出双极移，交叉频率和相位裕度略有不同。表1比较了传统的PCM降压转换器和AECM降压转换器。下页的表2比较了D-CAP2降压转换器和AECM降压转换器。

图.AECM不同VOUT条件下的波特图。图片由Bodo'sPowerSystems提供传统PCM降压转换器（内部补偿）AECM降压转换器负载瞬态响应•慢的。•固定内部零位设置得相对较低。•误差放大器延迟。•快速地。•智能环路带宽控制提供了相对较高的内部零。•无误差放大器延迟。轻载脉冲•单一或非单一。•由钳位控制电压脉冲控制。•单身的•PFM*作模式下由导通时间控制的脉冲。宽输出稳定性•难的。•固定且相对较低的内部零位使其难以支持较宽的输出范围。•简单的•智能环路带宽控制提供可调节的带宽。表1.比较PCM和AECM降压转换器。D-CAPTM降压转换器AECM降压转换器频率•伪固定，难以支持高频。•频率取决于定时发生器，导致频率变化很大。•真正固定且易于支持高频。•频率取决于内部时钟，导致频率变化很小。高电压输出•低于7V。•内部*斜坡发生器电路的*。•高于7V。•改进的内部*斜坡发生器电路和智能环路带宽控制。大占空比•难的•内部*斜坡发生器电路的*。•需要较长的最短停机时间。•简单的。•改进的内部*斜坡发生器电路和智能环路带宽控制。•需要较短的最短停机时间。•准时延长功能。表2.比较D-CAP2™降压转换器和AECM降压转换器。

图.5V和1.V输出的测量波特图。图片由Bodo'sPowerSystems提供结论具有适用于DC/DC转换器的AECM控制拓扑的设备可以实现具有真正固定频率的快速负载瞬态响应，同时保持宽输出电压和低设计成本。这种新的控制拓扑已在多个产品中实施，具有良好的性能、易用性和较小的解决方案尺寸。