输入电压达40V以上的降压稳压系统的设计问题及其解决办法

1、P00專題報導:輸入電壓達 40V 以上的 降壓穩壓系統的設計問題及其解決辦法 . 1-7產品精選:- 仿電流模式 SIMPLE SWITCHER® 系列 (2- SIMPLE SWITCHER®融入系統設計 (4- SIMPLE SWITCHER®穩壓器 (6網上設計工具 (8全新的 SIMPLE SWITCHER ® 系列不但性能卓越,而且設計靈活,必定可以滿足您的設計要求V INV INSwitching FrequencyADJSwitchI SENSEV OUT LM25576V OUT F e a t u r e A r t i c l e降

2、壓穩壓系統的設計問題公式中的 D 是調制開關的占空比,而 Ns 及 Np 分別是變壓器次級線圈及初級線圈的匝數。若輸入電壓為 66V、輸出電壓為 3.3V (即降壓比為 20:1,我們可將變壓器的匝數比 (Ns/Np 定為 1:10,但調制開關的占空比則必須定為 50%。若以 500 kHz 頻率操作,50% 的占空比相等於 1 us 的開關導通時間。對於不需要為接地絕緣的系統來說,採用降壓穩壓器是較為理想的電路佈局。降壓穩壓器電路佈局的優點是成本較低,因為這個解決方案無需採用變壓器。以下是降壓穩壓器的電壓轉換公式:V OUT = V IN x D。若降壓穩壓系統採用較高的輸入/輸出降壓比,其

3、占空比則必須調低。加上高頻率操作這個因素的影響,令調制開關的導通時間變得極短。脈衝寬度調制 (PWM 控制器若以高頻率及高降壓比操作,便需面對一些較難 解決的問題。若輸入電壓為 66V,輸出電壓為 3.3V,而降壓穩壓器以 500 kHz 頻率操作,導通時間便必須有 100 ns。降壓穩壓器常用的調制控制方法有電壓模式 (VM、電流模式 (CM 及恆定導通時間 (COT 等三種。電流模式控制可以輕易提供環路補償,而且本身還有線路前饋補償,因此甚受電源供應系統設計工程師的歡迎。一般來說,電壓模式控制不會輕易受噪音的干擾,但瞬態響應及穩定性等方面的錶現則不及電流模式。若採用恆定導通時間的控制方法,

4、大部分穩定性的問題都會自動消失,而且線路及負載的瞬態響應也較為理想。但採用恆定導通時間控制的穩壓器並非以恆定的開關頻率操作,因此不能與外置時鐘保持同步。圖 1 所示的是採用電流模式控制方法的降壓穩壓器的結構框圖。穩壓器的輸出電壓不但受監控,而且可與參考電壓互相參照比較,一旦出現誤差信號,便會傳送到脈衝寬度調制器 (PWM。電壓模式與電流模式的控制方式完全不同,原因在於兩者的調制斜波信號來自不同的信號源。執行電流模式控制功能所需的調制斜波信號是一種與降壓開關電流成正比的信號。電感器的電流會在開關導通期間流入降壓開關。通電後,電感器電流的波形斜率為正數的 (V IN - V OUT /L。降壓開關

5、電流的測量數值必須準確,而且有關數字要盡快測出,以便產生調制斜波信號。電流模式控制的主要缺點是很難取得降壓開關電流信號。傳統的電流模式控制方法有它的缺點,例如,傳播延遲較長,並較易受噪音干擾,因此導通時間必須極短、降壓比必須較大的高輸入電壓降壓穩壓系統便幾乎無法採用這種控制方法。要準確測量降壓開關電流並非容易。以下是一些常用的測量方法:測量並聯電阻的電壓或降壓開關的“通電”電阻,或採用與降壓開關連接一起的電流鏡像電路。每一種方法都需要進行電平轉換,以便將量度出來的信號轉為與接地參考電壓相若的較低信號,供 PWM 比較器使用。即使採用設計最好的電流傳感器及電平轉換電路,傳播延遲時間也會受影響而大

6、幅延長。另一個要面對的問題是,當降壓開關啟動後,自由輪轉 (續流二極管 (D1 便會關閉。反向恢復電流會流入二極管及降壓開關,隨即產生前緣電流尖峰,以及延長振鈴振蕩時間。這個尖峰可以令 PWM 比較器過早產生觸發脈衝,引致操作程序出錯。最常用的解決方法是將電流感測信號加以濾波或將尖峰的前緣消隱。 將信號濾波或消隱前緣尖峰都會延長降壓開關的可控制最低導通時間。P .5· 屏幕顯示一系列建議採用的產品供客戶選擇· 選用不同零件進行測試,以便比較不同方案的· 可以選用建議採用的器件,也可按照自己的設· 建立模擬電路,利用電氣及熱能模擬測試評估· 利用

7、其他電路反覆進行測試,然後比較不同的測試結果,以確定哪一方案能發揮最高的性能· 索取樣品以及訂購零件或演示電路板· 實時下載自動編製的 CAD 文件、裝配資料、測試指令以及有關性能特性的全部資料 SIMPLE SWITCHER® 穩壓器不但設計靈活， 而且容易使用 75V 輸入電壓、3A 輸出電流的 LM5576 降壓開關穩壓器具備高效率、 高電壓降壓穩壓器的所有必要功能，而且只需添加極少的外置器件 LM5576 芯片的特色 · 內置 75V、170 m 的 N 通道 MOSFET · 6V 至 75V 的極廣闊輸入電壓範圍 · 內部

8、偏壓穩壓器 · 可調節輸出電壓 (1.225V 以上 · 反饋參考電壓的準確度達 1.5% · 電流模式控制功能可提供仿電感器電流斜波 · 只需一個電阻便可設定振蕩器頻率 · 振蕩器同步輸入 · 可設定軟啟動 · 停機/待機輸入 · 寬帶誤差信號放大器 · 過熱停機 · 採用 TSSOP-20EP (無掩蔽焊球 封裝 Product Highlights 典型應用電路圖 降壓穩壓系統的設計問題 圖 4 是 LM25576 芯片的方塊圖。這款芯片是新推出的 6 款高集成度降壓穩壓器的其中一款，其特

9、點是採用了 上述的仿電流模式控制設計。圖中頂部所示的是降壓穩 壓器一般採用的電源開關。控制器將自由輪轉 (續流） 二極管的陽極與接地連接一起，而低電流量檢測電阻及 放大器則負責測量二極管電流。採樣及保持電路在降壓 開關啟動之前觸發每一周期的開始，為模擬的電流檢測 信號提供消隱電平信號。 LM25576 芯片可以檢測輸入電壓及輸出電壓，以便產 生驅動電流，為外置斜波電容器 (CRAMP 充電。降壓 開關啟動後的每一周期內，電容器電壓都會以線性方式 上昇。降壓開關關閉後，斜波電容器便會自行放電。 為了確保正常操作，我們設定斜波電容器時，必須確保 其電容值與輸出電感器的電感值成正比。開始時最好選 用

10、以下的斜波電容值：CRAMP = L x 10 ，公式中的 L 以 Henry 為計算單位，而 CRAMP 則以 Farad 為計算 單位。產生模擬降壓開關電流信號的最後一個必要步驟 是將採樣及保持電路傳來的消隱電平信號與斜波電容器 電壓信號相加。這樣控制器便可發揮類似峰值電流模式 的控制，但電流檢測信號又不會出現延遲及瞬態響應。 對於操作時占空比超過 50% 的應用來說，峰值電流模 式控制穩壓器會出現次諧波的振蕩。若在電流檢測信號 之上另外再添加一個固定斜率的電壓斜波信號，便可避 免出現這種振蕩。以斜波發生器電路為例來說，另外添 加的 25 µA 固定偏置電流可為電容器電壓斜波信號

11、提 供額外的固定斜波。至於占空比極高的應用，我們可以 採用上拉電阻以補 25 µA 偏置電流的不足，也可降低 斜波電容器的電容值，以便提高斜率，以免穩壓器出現 次諧波振蕩。 圖 4：LM25576 降壓穩壓器電路圖 100p 3.3µ 49.9K GND 過載保護 LM25576 芯片內置專用的限流比較器，可將每一周期 的模擬峰值電流限定在固定的範圍內，以便為芯片提供 輸出過載保護。仿電流模式的另一優點是可以在降壓開 關啟動之前捕捉電感器的電流信號。若電流的消隱電平 信號超過限流比較器的最高設定極限，降壓開關會連續 跳過幾個周期，讓電感器電流有較多時間衰減，以免電 流出現失

12、控情況。 INPUT 6 to 42V VIN SD SYNC COMP BST 10µ 0.022µ SW CSHD6-60 OUTPUT 3.3V, 3A 5.11K LM25576 140µ IS 3.01K -5 0.01µ FB RAMP 10.5K 0.01µ RT SS OUT VCC 0.47µ 電流模式控制雖然有很多優點，但對於導通時間必須極 短的降壓穩壓系統來說，調制斜波信號並非那麼容易便 能產生出來。採用模擬斜波信號便可解決這方面的問 題。美國國家半導體新推出的高集成度穩壓器系列便採 用這種仿電流模式的控制技術。

13、 如欲查詢有關產品的詳細資料，請瀏覽 Feature Article 網上設計工具 WEBENCH® 網上設計 提供網上： · 電源供應器設計 · 放大器及有源濾波器設計 · 音頻系統設計 · 無線系統設計 · A/D 轉換器 我們的設計及建模工具有助精簡及加快整個設計過程。 1. 挑選元件 2. 構思設計 3. 進行分析 4. 親自組建電路，而且很快便會收到量身訂造的原型套件 如欲查詢有關產品的詳細資料及尋求技術支援，可瀏覽美國國家半導體以下各網頁： 放大器： 音頻產品： A/D 轉換器： 接口產品： 低電壓差動訊號傳輸 (LVDS

14、 產品： 電源管理產品： 熱能管理產品： 中國地區參與代理商及其國內辦事處 晨興安富利有限公司 電話：(010 8206-2488 傳真：(010 8206-2427 電話：(021 5206-2288 傳真：(021 5206-2299 電話：(0755 8378-1886 傳真：(0755 8378-3656 棋港電子有限公司 電話：(010 8837-7016 傳真：(010 6835-8255 電話：(021 6354-1141 傳真：(021 6353-6038 電話：(0755 8328-1338 傳真：(0755 8328-1001 大傳電子有限公司 電話：(010 6642-2

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