线性稳压器和开关模式电源的基本概念

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图12：LTC3775电压模式同步降压电源可提供一个高降压比。

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电流模式控制采用两个反馈环路：一个与电压模式控制转换器之控制环路相似的外部电压环路，和一个负责把电流信号反馈至控制环路之中的内部电流环路。图13示出了峰值电流模式控制降压型转换器(其直接检测输出电感器电流)的概念方框图。当采用电流模式控制时，电感器电流由误差运放输出电压决定。电感器变成了一个电流源。于是，从运放输出VC至电源输出电压VO的转移函数变成了一个单极点系统。这大大简化了环路补偿。控制环路补偿与输出电容器ESR零点的相关性较低，因而可以使用全陶瓷输出电容器。

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电流模式控制还有许多其他好处。如图13所示，由于峰值电感器电流以一种逐周期的方式受限于运放VC，因此电流模式控制型系统在过载条件下提供了一种准确度更高和速度更快的电流限制。浪涌电感器电流在启动期间也处于良好受控的状态。另外，当输入电压变化时电感器电流并不会快速改变，所以电源拥有上佳的电压瞬态性能。当多个转换器并联时，运用电流模式控制还可以非常容易地在电源之间分享电流，这一点对于采用多相降压型转换器来实现可靠的大电流应用而言是很重要的。一般说来，电流模式控制型转换器的可靠性要高于电压模式控制型转换器。

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图13：电流模式控制型降压转换器的方框图。

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电流模式控制电路解决方案必需精确地检测电流。电流检测信号通常是一个具有几十mV电平的小信号，其对开关噪声很敏感。因此，需要实施正确和谨慎的PCB布局。可通过检测流过一个检测电阻器的电感器电流、电感器DCR压降或MOSFET导电压降来完成电流环路。典型的电流模式控制器包括凌力尔特的LTC3851A和LTC3855。

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恒定频率与恒定导通时间控制的比较

“电压模式控制与电流模式控制的比较”部分中的典型电压模式和电流模式方案具有由控制器内部时钟生成的恒定开关频率。这些恒定开关频率控制器可以容易地实现同步，对于大电流的多相降压控制器来说这是一项重要的特性。然而，如果负载升压瞬变刚好在控制FET Q1关断之后发生，则转换器必须等待整个Q1关断时间直到下一个周期开始以响应瞬变。在具有小占空比的应用中，最坏情况延迟接近一个开关周期。

在此类低占空比应用中，恒定导通时间谷值电流模式控制具有较短的延迟以响应负载升压瞬变。在稳态操作中，恒定导通时间降压转换器的开关频率几乎是固定的。假如遭遇瞬变，则开关频率能够快速改变以加快瞬态响应。因此，电源拥有了改善的瞬态性能，而且可以减小输出电容并降低其相关成本。

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然而，在采用恒定导通时间控制时，开关频率有可能随电压或负载而改变。LTC3833是一款具有更精细的受控导通时间架构的谷值电流模式降压型控制器，该架构是恒定导通时间控制架构的一个变种，其不同之处是可通过控制导通时间而使开关频率在稳定阶段以及整个电压和负载情况下保持恒定。利用这种架构，LTC3833控制器可具有20ns的最小导通时间，并实现从高达38VIN至0.6VO的降压应用。该控制器可同步至一个频率范围为200kHz至2MHz的外部时钟。图14示出了一个具有4.5V至14V输入和1.5V/20A输出的典型LTC3833电源。[11]如图15所示，该电源能够对突发的高摆率负载瞬变做出快速响应。在负载升压瞬变期间，开关频率增加以提供更快的瞬态响应。而在负载降压瞬变过程中，占空比下降至零。所以，仅输出电感器限制电流摆率。除了LTC3833之外，LTC3838和LTC3839控制器也为多输出或多相应用提供了具快速瞬态响应的多相解决方案。

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图14：采用LTC3833的快速、受控导通时间电流模式电源。

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图15：LTC3833电源可在快速负载阶跃瞬变期间提供快速响应。

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环路带宽和稳定性

不管是从电气角度还是从声学角度来看，设计精良的SMPS都是安静的。对于一个欠补偿的系统(其往往不稳定)而言，情况就不是这样了。欠补偿电源的典型症状包括：来自磁性组件或陶瓷电容器的可听噪声、开关波形中的抖动、输出电压的振荡等等。过度补偿的系统可以非常稳定和安静，但代价是瞬态响应速度缓慢。此类系统具有一个非常低的环路穿越频率，通常低于10kHz。瞬态响应缓慢的设计需要过大的输出电容以满足瞬态调节要求，因而增加了总体电源成本和尺寸。最优的环路补偿设计是稳定和安静的，但不是过度补偿的，因此它也具有快速响应以尽量减小输出电容。有很多**都讨论了怎样为电压模式控制和电流模式控制型SMPS优化环路补偿网络的问题[2-4]。对于欠缺经验的电源设计师来说，小信号建模和环路补偿设计会很困难。凌力尔特的LTpowerCAD设计工具可处理精细复杂的方程式并大大简化环路补偿[6]。LTspice仿真工具整合了所有的凌力尔特器件模型，并提供了额外的时域仿真以优化设计。不过，在原型设计阶段，环路稳定性和瞬态性能的测试/验证常常是必要的。

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般而言，闭合电压调节环路的性能是利用两个重要的数值来评估的：环路带宽和环路稳定性裕度。环路带宽由穿越频率fC进行量化，在该频率上环路增益T(s)等于1(0dB)。环路稳定性裕度通常采用相位裕度或增益裕度来量化。环路相位裕度Φm被定义为穿越频率上总T(s)相位延迟与–180°之间的差异。增益裕度则被定义为在总T(s)相位=–180°之频率上T(s)增益与0dB之间的差异。对于降压型转换器，通常认为45°的相位裕度和10dB的增益裕度是足够的。图16示出了一款LTC3829 12VIN至1VO/60A三相降压转换器的典型环路增益博德图。在该例中，穿越频率为45kHz，相位裕度为64°。增益裕度接近20dB。

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图16：LTpowerCAD设计工具提供了一种优化环路补偿和负载瞬态响应的简易方法(三相、单输出LTC3829降压型转换器实例)。

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针对大电流应用的多相降压型转换器

由于数据处理系统速度越来越快、规模越来越大，其处理器和存储器单元需要在不断降低的电压下获得更大的电流。在这些大电流条件下，对电源的需求成倍地提高。近年来，多相同步降压型转换器由于其高效率和均匀的热分布而被广泛地应用于大电流、低电压电源解决方案。此外，利用多个交错式的降压转换器相位还可以显着地降低输入和输出侧上的纹波电流，从而减小输入和输出电容器并压缩相关的电路板空间和成本。

在多相降压型转换器中，精准的电流检测和均流变得极其重要。优良的均流可确保均匀的热分布和高的系统可靠性。由于其在稳态及瞬变期间的固有均流能力，电流模式控制型降压转换器通常是首选。凌力尔特的LTC3856和LTC3829是具有精准电流检测和均流功能的典型多相降压控制器。对于2、3、4、6和12相系统，可采取菊链的方式将多个控制器连接起来以提供20A至200A以上的输出电流。

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高性能控制器的其他要求

高性能的降压型控制器需要具备许多其他的重要特性。软起动功能常常是控制启动期间的浪涌电流所必需的。过流限制和短路锁断能够在输出过载或短路时保护电源。过压保护功能可为系统中的昂贵负载装置提供安全防护。为了尽量抑制系统EMI噪声，有时必须使控制器同步至一个外部时钟信号。对于低电压、大电流应用，远端差分电压采样可补偿PCB电阻压降并准确地调节远端负载上的输出电压。在具有多个输出电压轨的精细复杂系统之中，不同电压轨之间的排序和跟踪也是必不可少的。

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PCB布局

组件选择和原理图设计仅仅是电源设计过程的一半。开关电源设计的正确PCB布局始终是至关紧要。事实上，这说法并没有夸大。上佳的布局设计可优化电源效率、减轻热应力，而且最重要的是能够尽量地抑制走线和组件之间的噪声和相互影响。为此，设计师应了解开关电源中的电流传导路径和信号流，这一点很重要。获得必要的经验常常需要付出大量的努力。详细的讨论请见凌力尔特的《应用指南136》(Application Note 136)。[7]

图17：一款采用LTC3829的三相、单通道VO大电流降压型转换器。

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在集成度方面，系统设计师可以决定选择分立型、单片式或全集成型电源模块解决方案。图18示出了面向典型负载点电源应用的分立型和电源模块解决方案实例。分立型解决方案采用一个控制器IC、外部MOSFET和无源组件，以在系统板上构建电源。选择分立型解决方案的一个主要原因是组件物料清单(BOM)成本低。然而，这需要良好的电源设计技能和相对较长的开发时间。单片式解决方案采用一个具集成型功率MOSFET的IC，以进一步缩减解决方案尺寸和组件数目。此类解决方案也需要相似的设计技能和开发时间。全集成型电源模块解决方案可显着减少设计工作量、开发时间、解决方案尺寸和设计风险，但通常具有较高的组件BOM成本。

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图18：解决方案实例(a)分立型12VIN至3.3V/10A LTC3778电源；(b)全集成型16VIN、双通道13A或单通道26A LTM4620 μModule降压型稳压器。

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其他的基本非隔离式DC/DC SMPS拓扑

本应用指南以降压型转换器为简例说明了SMPS的设计考虑因素。不过，至少有5种其他的基本非隔离式转换器拓扑(升压、降压/升压、Cuk、SEPIC和Zeta转换器)和至少5种基本隔离式转换器拓扑(反激式、正激式、推挽式、半桥式和全桥式)，这些在本应用指南中并未涉及。每种拓扑都拥有独特的属性，因而使其适合于特定的应用。图19示出了针对其他非隔离式SMPS拓扑的简化电路原理图。

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还有其他的非隔离式SMPS拓扑，其为基本拓扑的组合。例如，图20示出了一款基于LTC3789电流模式控制器的高效率、4开关同步降压-升压型转换器。该器件可在输入电压低于、等于或高于输出电压的情况下运作。比如：输入可以在5V至36V范围内，而输出可以是一个已调12V电压。该拓扑是同步降压型转换器和同步升压型转换器的一种组合，它们共享单个电感器。当VIN＞VOUT时，开关A和B起有源同步降压转换器的作用，而开关C始终关断，开关D则始终保持接通。当VIN＜VOUT时，开关C和D起有源同步升压转换器的作用，开关A始终保持接通，而开关B则始终关断。当VIN接近VOUT时，所有4个开关均主动运作。因此，这款转换器的效率会非常高，对于典型的12V输出应用可达98%。[12]LT875控制器将输入电压范围进一步扩展至高达80V。为了简化设计和提高功率密度，LTM4605、LTM4607和LTM4609在高密度和易用型电源模块中进一步集成了一个精细的降压/升压型转换器。[13]这些器件可以容易地通过并联实现负载均分，从而满足大功率应用的要求。

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图20：高效率4开关降压-升压型转换器可在输入电压低于、等于或高于输出电压的情况下运作。

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