标题: 怎样选择最优的 Buck 转换器拓扑？ [打印本页]
作者: 520503 时间: 2015-5-28 23:01 标题: 怎样选择最优的 Buck 转换器拓扑？
摘要
基本的Buck转换器拓扑都是一样的，但控制该转换器工作的方法却是多种多样的，不同的方法带来不同的特性。与之对应的是现实中的负载特性也各自不同，如何将不同的转换器拓扑和各种不同的应用对应起来呢？了解各种拓扑的基本特性和限制，清楚自己的应用需求，这是实现正确选择的基本条件。
一、 概述
基本的 Buck 转换器拓扑是这样的：
图一、Buck转换器的基本拓扑
在此拓扑中，高端功率开关S1和低端功率开关S2轮流导通，由此形成的斩波信号经电感L和输出电容COUT滤波以后形成输出电压，输出电压VOUT的高低由S1导通时间的占空比所决定。
一个完整的Buck系统需要对某些信号进行检测以确定如何对开关的占空比进行控制，而在电路中可供检测作为Buck控制系统的反馈信号是多种多样的，控制开关占空比的方法也有很多种。现实中的负载也各自具有独特的个性，它们对为之供电的Buck 转换器的特性要求也不一样，这就导致了各种不同控制架构的出现。
立锜科技的DC/DC产品目录中有多种不同类型的Buck转换器，它们分别使用了不同的控制架构。最传统的是电流模式（Current Mode， CM）和固定导通时间（Constant-On-Time， COT）模式，还有结合了两者特性的电流模式固定导通时间（Current Mode Constant-On-Time， CMCOT）模式，以及改进后的固定导通时间（Advanced Constant-On-Time， ACOT™）模式。这些不同的控制架构实现方法不同，各自具有不同的特性，其优势和限制也是各自不同的。
面对如此繁多的控制架构，我们应该怎样针对自己应用的需要选择合适的架构呢？让我们从了解开始。
二、 电流模式（Current Mode， CM）
最传统的电流模式Buck转换器通过对MOSFET功率开关的导通时间进行控制以实现对输出电压的调节，它有一个固定频率的内部时钟控制着开关的节奏，导通时间的决策依据来源于电感峰值电流检测信号和误差放大器的比较结果。下面是它的电路拓扑和与之对应的波形示意图：
图二、电流模式Buck转换器电路拓扑
图三、电流模式Buck转换器的工作波形
这种架构的控制回路的带宽是由误差放大器进行设定的，一般被限定在远小于开关切换工作频率的水平上。
RT8059 是一款封装为TSOT-23-5的电流模式 Buck 转换器，最高工作电压为5.5V，输出电流能力为1A，以1.5MHz的固定频率工作。这是它的应用电路图：
图四、电流模式Buck转换器的电路实例ACOTTM已经采取了频率锁定电路来解决它在工作条件变化情况下的工作频率变化问题，它的平均频率是稳定的，但这仍然不能让它的频率是固定不变的，也不能使用外部时钟来对它的动作进行同步，如果你有相关的需要，你还是需要考虑使用电流模式的器件。
四、 电流模式固定导通时间（Current-Mode Constant-On-Time， CMCOT）
对于某些应用来说，电流模式比较慢的瞬态响应能力是不能接受的，也不能接受电流模式不能太低的占空比，它们对于ACOTTM架构在面对负载快速变化时的工作频率的大范围变化也不能接受，这时候就可以选择一个折中的方案：电流模式固定导通时间架构（CMCOT）。
CMCOT的电路拓扑是这样的：
图十二：CMCOT架构Buck转换器的电路拓扑
CMCOT Buck转换器的功率开关拥有固定的导通时间，并通过对功率开关关断时间的控制实现输出电压的调整。这种架构中包含了误差放大器和电流检测电路，但对关断时间的控制依据是来源于电感谷值电流的检测信号和误差放大器的比较结果。与电流模式相比，这种模式的转换器具有更宽的带宽，响应速度更快。
在DC/DC电路中，每一次的开关切换过程都对应着电流路径的变换和开关节点的电压变化，这就形成了所谓的噪声。电流模式架构的电流检测点是在上桥开关上，那里的电压比较高，信号不好处理，其中包含的噪声也更多更杂更大，正确的信号要在离开关时间点比较久的时候才会出现，这就限制了占空比的最小值。Buck电路的占空比是等于输出电压和输入电压的比值，输入电压越高，输出电压越低，所需要的占空比就越低，这就限制了电流模式的使用范围。当工作频率比较高时，元器件可以实现小型化，这对小体积的设备是非常好的，所以在很多情况下会有对高工作频率的追求，这时候的工作周期会很短，低占空比就意味着很短的脉冲时间，这也会让电流模式的使用成为不可能。
同样幅度的输出电压波动，在输出电压比较低的情况下，输出电压波动所占的比例也较高，稍有不慎就可能使负载系统进入不正常的工作状态。随着业界对电子器件在低电压下工作的研究的深入，我们将要面临的工作电压会越来越低，传统的电流模式必将遇到越来越多的挑战。电流模式固定导通时间架构能够兼有电流模式和固定导通时间架构的好处，这在某些情况下是很好的选择。
图十三：CMCOT架构Buck转换器的电路实例
上图中的RT8096A是最高5.5V工作电压的CMCOT架构Buck器件，平均工作频率为1.5MHz（请注意它的核心是COT的，所以只能谈平均工作频率，这是由频率锁定电路设定的），负载能力为1A，电路的输出电压为1.2V。当它的负载在500mA至1A之间跳变时，其电流波形和输出电压的变化状况是这样的：
图十四：CMCOT架构Buck转换器的电路实例的瞬态响应波形
输出电压的上冲和下坠的幅度都是49mV，这个数据介于已经得到的电流模式的65mV和ACOTTM的24mV之间，优于电流模式，但又劣于ACOTTM。
再来看看细节：
图十五：CMCOT架构Buck转换器的电路实例的瞬态响应波形细节展开
图中显示在2微秒内开关节点上出现了5个脉冲，回到前面ACOTTM的波形，我们可以看到它在1微秒内打了3个脉冲，很显然，在面对同样负载跳变的情况下，这一次的脉冲频率比较低，也就是说CMCOT真的起到了降低频率变化范围的效果。
五、 总结
我们已经把几种不同控制架构的实现方法和各自的基本特性做了比较，也比较了它们的性能表现，与实际的应用结合，我们可以看到：
输入电压、输出电压和负载的自然特性在大多数情况下是决定选择哪种控制架构最合适的关键因素。
具有稳定负载的系统可选择电流模式 Buck 转换器；为了避开某些频率敏感的频带，具有固定工作频率的电流模式也是最佳的选择。一些电流模式 Buck 转换器可提供外部时钟同步的接口。
那些存在极快速负载变化的系统（例如CPU内核和DDR存储器这样的应用）和需要极低占空比的应用应该选择 ACOTTM架构的 Buck 转换器来供电。需要引起注意的是这种架构在负载发生变化时的响应过程中开关切换工作频率是有明显变化的。
电流模式固定导通时间（CMCOT） Buck 转换器的性能介于电流模式和 ACOTTM之间，因而适用于需要相对稳健的负载响应特性的应用中，那些需要较短的最小导通时间的应用（指较高工作频率结合较大降压比的状况）也是它们发挥作用的时候。
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