高頻開關(guān)電源控制電路的時(shí)間精度

除了功率元件和拓?fù)?，控制電路也是開關(guān)電源的重要組成部分。電源工作頻率提高，即意味著電源控制部分對(duì)時(shí)間的控制精度也要提高——PWM類拓?fù)湟_的控制占空比寬度，調(diào)頻類拓?fù)湟_的控制頻率，才能保證電源能夠穩(wěn)定的工作。

按當(dāng)前電源控制電路的發(fā)展現(xiàn)狀，較少見用分離元件或通用MCU進(jìn)行電源控制，而且用分離元件或通用MCU也很難做出高頻率的控制電路。所以這里只討論專用模擬IC和專用DSC在頻率提高時(shí)可能遇到的問題。

對(duì)PWM類的模擬電源控制芯片，無論是電流型控制還是電壓型控制，基本原理就是每周期用一個(gè)固定斜率或可調(diào)斜率的振蕩電壓與受環(huán)路控制的反饋電壓同時(shí)送入一個(gè)模擬比較器，比較兩個(gè)電壓的大小來調(diào)制脈沖寬度；對(duì)LLC等調(diào)頻的IC，基本原理的調(diào)試方式也是類似的。

當(dāng)我們觀察一個(gè)工作頻率只有100kHz的模擬電源芯片的穩(wěn)定工作狀態(tài)，是能看到可達(dá)百百納秒級(jí)的占空比寬度或工作頻率的波動(dòng)（這里不是指為改善EMC而刻意做的抖頻）。至于抖動(dòng)的原因，一是環(huán)路確實(shí)需要通過對(duì)占空比或工作頻率的調(diào)節(jié)來穩(wěn)定電源的輸出電壓，二是來自電源工作所處的復(fù)雜環(huán)境中各種來源的噪聲。

當(dāng)工作頻率較低時(shí)，這個(gè)數(shù)百納秒的占空比（頻率）波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響基本是可以忽略的，頻率高的時(shí)候就會(huì)影響電源的穩(wěn)定工作：200ns*100kHz=2%，200ns*500kHz=10%。這個(gè)問題只能改善，是無法徹底解決的。而開關(guān)電源中的電磁環(huán)境又極其復(fù)雜，模擬電源IC在試圖提高工作頻率時(shí)，應(yīng)該會(huì)在這方面有一些的挑戰(zhàn)。

對(duì)電源專用的數(shù)字控制器，目前市場上可以見到的有兩種：ARM內(nèi)核+CLA+PWM外設(shè)，和DSP內(nèi)核+PWM外設(shè)。無論哪一種，對(duì)占空比（頻率）的控制精度都取決于PWM外設(shè)的時(shí)鐘。

對(duì)第一種ARM內(nèi)核的芯片，PWM外設(shè)使用獨(dú)立的時(shí)鐘，目前有250MHz的量產(chǎn)型號(hào)，PWM外設(shè)的基本時(shí)間分辨精度（可以認(rèn)為是占空比或工作周期的最小調(diào)節(jié)步進(jìn)）是4ns；對(duì)第二種DSP內(nèi)核，PWM外設(shè)的時(shí)鐘與CPU時(shí)鐘一致，目前有幾十MHz到幾百M(fèi)Hz的量產(chǎn)型號(hào)，基本的時(shí)間分辨率約幾ns到20ns。在工作頻率幾十到幾百kHz時(shí)，這樣的時(shí)間控制精度是足夠的，但是在工作頻率提高到接近或超過1MHz時(shí)，這樣的時(shí)間分辨精度就略顯不足。

實(shí)際無論哪一種PWM外設(shè)，芯片廠家還會(huì)有一些特殊的提高PWM外設(shè)時(shí)間控制精度的方法，會(huì)將時(shí)間控制精度提高到200ps左右。例如某工作于1MHz的電源產(chǎn)品使用了TI的UCD3138，其輸出PWM的最小分辨率為250ps：

進(jìn)一步將數(shù)字電源控制芯片的時(shí)間控制精度提高一定會(huì)遇到一些困難。而且，芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會(huì)令高精度PWM的配置有不少的限制（例如TI的C2000系列DSP的相關(guān)功能必須要進(jìn)行校準(zhǔn)）。對(duì)高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，這顯然是一個(gè)明顯的挑戰(zhàn)：數(shù)字電源芯片的時(shí)間控制精度有限。

高頻開關(guān)電源控制電路的動(dòng)態(tài)性能

眾所周知，隨著電源工作頻率的提高，電源設(shè)計(jì)所使用的電感、電容可以變小。而電感、電容減小，可能會(huì)導(dǎo)致兩方面的問題：電源動(dòng)態(tài)特性變差，和對(duì)電源保護(hù)功能的要求提高。

當(dāng)電源的輸出濾波電容容量減小時(shí)，無法為負(fù)載電流的波動(dòng)提供足夠的儲(chǔ)能。那么當(dāng)負(fù)載電流波動(dòng)時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)就會(huì)變大。比如，下圖是兩個(gè)電源的環(huán)路bode圖和在同樣動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)輸出電壓的波動(dòng)，可見兩個(gè)電源的環(huán)路bode圖有幾乎一樣的中低頻段增益和近似一樣的增益穿越頻率，但是同樣負(fù)載電流波動(dòng)導(dǎo)致的輸出電壓波動(dòng)卻差異很大——實(shí)際上，差異來自兩個(gè)電源的輸出濾波電容不一樣，兩者的輸出濾波電容容量相差了十倍：

那么，為了達(dá)到同樣的負(fù)載動(dòng)態(tài)特性，高頻開關(guān)電源對(duì)電源反饋環(huán)路的性能提出了更高的要求。

高頻開關(guān)電源控制電路的快速保護(hù)

類似的，開關(guān)電源中功率電感感量過小，也有不利影響，其中之一就是對(duì)電源中過流保護(hù)電路的響應(yīng)速度的要求會(huì)顯著提高。

為保護(hù)電源產(chǎn)品在其輸出過載或短路時(shí)不至于損壞，電源往往會(huì)對(duì)電流做檢測和保護(hù)：當(dāng)電源輸出電流過高時(shí)，保護(hù)電路將電源的輸出關(guān)閉以限制電流的上升。

顯然，保護(hù)電路是需要一定的反應(yīng)時(shí)間的——一方面是保護(hù)電路的固有響應(yīng)速度不高，另一方面為避免保護(hù)電路誤動(dòng)作也會(huì)犧牲一些響應(yīng)速度。反應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致了保護(hù)動(dòng)作的延遲。那么，在電源發(fā)生輸出短路時(shí)，在保護(hù)電路的延遲時(shí)間內(nèi)，電流會(huì)繼續(xù)上升，導(dǎo)致實(shí)際的電流保護(hù)點(diǎn)具有正偏差。對(duì)電感來說，有

式中VL為電感工作電壓，L為電感感量，Tdelay為保護(hù)延遲時(shí)間。顯然，當(dāng)電感工作電壓、保護(hù)電路的延遲時(shí)間固定時(shí)，過流保護(hù)的偏差值與電感量負(fù)相關(guān)。如果過流保護(hù)的偏差過大，會(huì)增加電源的損壞風(fēng)險(xiǎn)。

那么，當(dāng)電源的工作頻率提高、使用了較小的電感時(shí)，需要適當(dāng)改善電源保護(hù)電路的響應(yīng)速度——高頻電源對(duì)保護(hù)電路的要求往往也是更高的。

（下節(jié)預(yù)告：高頻開關(guān)電源實(shí)例介紹）