Chapter 4 Ripple-Based Control Technique Part I
DC-DC的控制可简单分为三类: 电压模, 电流模和基于纹波. 电流模和电压模的瞬态表现取决于环路带宽, 而带宽又是由工作模式(CCM或DCM)和补偿方式决定. 补偿方式决定了环路的稳定性和瞬态性能. 基于纹波控制无需负载补偿网络, 有快速瞬态的优势, 同时能保证系统稳定性. 它还有一个优点就是结构简单, 低功耗, 因此适合电池使用.
近年来, 对于load transient和效率的性能要求越来越高, 基于纹波控制越受到青睐. constant on-time属于基于纹波控制, 具有快瞬态和低功耗特点. constant on-time有"恒定导通时间""和Vin的前馈通路, 在轻载时, off-time自动延长. 稳态下off-time固定, 因此converter表现出伪定频.
接下来, 我们会介绍几种基于纹波控制的结构, 其优劣点和稳定性分析. 另外介绍提高regulation, 减少EMI方法. 最后介绍bootstrap结构, 适合高压应用.
4.1 Basic Topology of Ripple-Based Control
基于-纹波控制整体结构如下. Vfb和Vref进行比较, 调制产生PWM信号. 即检测Vout判断打拍是否足够, 从而改变PWM信号来控制Vout.
基于纹波的控制分类和基本工作逻辑如下: 通过Vout电压, on-time, off-time, 峰值/谷值电压, 或者是否有时钟分类.
Fig 4.2(a)-(c)无固定时钟, 开关频率是变化的. 滤掉开关毛刺较困难. Fig 4.2(d)和(e)用固定频率, 分别check Vout Peak和Valley电压.
对于Boost Converter, 基于纹波控制更难. 因为给Vout充能的电流是断流的, 当下管导通时, 输出缺乏电感电流信息. 另外RHP 右零点会让稳定性更恶化, 右零点一般放在带宽外. 因此带宽不仅需要为1/10, 1/5开关频率, 还需要在右零点以内, 因此transient性能较差. 我们会介绍boost不受右零点的影响的纹波注入技术.
下面介绍buck的基于纹波控制方法, 功率级用异步即下管用diode替代, 另外Cout的ESR足够大, 因此输出电压Vout的纹波与电感电流成正比.
4.1.1 Hysteretic Control
迟滞控制如图Fig 4.3所示, 迟滞窗口Vh 决定输出电压Vout的DC值, peak-peak值.
迟滞控制工作原理如下图所示. 当Vfb<Vref时, 比较器输出高, 电感电流增加, Vout上升, 比较器阈值提高到Vref+Vh. 当Vfb>Vref+Vh, 比较器输出低, 电感电流下降, Vout下降, 直到Vfb<Vref. 迟滞窗口VH决定Vfb的上下限, 即Vout纹波. 当发生轻载跳重载时, Vout跌落大, 因此开启ton时间变长. 发生重载跳轻载时, Vout上升大, 因此关闭toff时间变长. 比起PWM控制, 迟滞控制负载瞬态响应更快.
迟滞控制的频率为Eq 4.1, 由ESR, 电感, Vin和Vout决定, fs变化很大, 不适合EMI敏感系统.
等效迟滞窗口Vh为
迟滞控制工作在DCM. 随着负载电流减少, toff增大, 因此频率降低, fsw3 < fsw2 < fsw1.
总结: 迟滞控制结构简单, 能快速响应, 但是Vout纹波和频率严重依赖Vh, Vin, Vout, L和其他寄生参数.
4.1.2 On-Time Control
Fig 4.6(a) (b)展示了buck的constant on-time结构图. Vfb<Vref, 比较器CMP翻高, VDRI即Q翻高, 开启上管, 电感电流和Vout增加, 同时on-time timer开始计时, 经过preset on-time后, Vreset翻高, 上管关闭, 进入off-time阶段, 导致电感电流和Vout下降. 直到Vfb再次低于Vref, 开启下一个周期.
constant on-time稳态波形如下图所示. 当iload突然变大时, Vout跌落, 一旦Vfb<Vref, 就开始打拍. 连打几拍, 中间有min toff, 直到Vfb再次高于Vref. 占空比在发生瞬态立刻增加到最大值(由toff决定), 比起电压模/电流模的PWM通过EA控制相比, on-time控制响应要快得多. 当重载跳轻载时, Vout升高, toff变长,停止打拍, 确保负载把Vout拉下来. 在constant on-time开始时, 从重载跳轻载, Vout overshoot最严重, 因为on-time是预设的, 不能立刻关闭 (除非设计额外逻辑), 得等到这一拍on-time打完, 因此Vout overshoot很大.
在CCM和DCM下开关频率如下. 注意在CCM下, 频率由Ton决定, 对于DCM, 频率和iLoad与电感值成正比.
在DCM下, 随着负载变小, 一拍 ton导致Vout上升过多, toff变长, 因此频率降低. Constant on-time好处是在CCM和DCM顺滑切换, 无需额外的逻辑, 缺点是在极轻载下Vout纹波较大(因为ton时间大了). 如果force constant on-time处于CCM, 会导致电感电流在轻载时为负, 降低效率.
Constant On-time也可以采用检测电感电流谷值决定开启上管的时刻. on-time由Vin和Vout的函数决定.
如图 Fig. 10.25a), 当电感电流采样Vsense低于EA输出电压Vc时, 开关周期开始, 上管开启ton时间 (PWM=1). 这个ton时间为Vin和Vout的函数. Fig. 10.25b), 展示了电路实现. 整体电路和电流模环路类似. 外环电压环相同, 也需要type II补偿. 内环电流环采样谷值Valley电感电流和Vc进行比较, 因此可用下管采样, 节省成本.
4.1.3 Off-Time Control
constant off-time的结构如Fig 4.10所示. Vfb>Vref, 比较器CMP翻高, VDRI即Q翻低, 关闭上管, 电感电流和Vout下降, 同时off-time timer开始计时, 经过preset off-time后, Vreset翻高, 上管开启, 进入on-time阶段, 导致电感电流和Vout上升. 直到Vfb再次>Vref, 开启下一个周期. on-time随着负载跳变而变化, 最后趋于稳定. 由于min_ton限制, 开关频率不能随着负载降低而降低, 轻载效率较差.
constant off-time稳态波形如下图所示. 当iload突然变大时, Vout跌落, 一旦Vfb<Vref, 上管就保持导通, 直到Vfb超过Vref为止. 重载跳轻载时, 系统工作在Preset的off-time和min-ton阶段. 和迟滞控制相比, constant off-time轻载跳重载表现一样, 但重载跳轻载, off-time响应更慢(有min-ton限制). 但与PWM电流模和电压模相比, 响应还是更快. constant off-time的缺点是轻载下, 频率反而上升, 因为on-time降低. 因此off-time不适合可携带电子. 另外在off-time时轻载跳重载会导致大的undershoot.
CCM下频率为
DCM下频率为
轻载DCM下, 如下图Fig 4.12所示, iLoad1>iLoad2, peak电感电流I1>I2, Ton1>Ton2, 由于toff1=toff2, 因此fsw1<fsw2. 负载越低, 频率越高, 因此constant off-time轻载效率低, 不适合便携式设备. constant off-time+峰值电压控制具有constant 电流能力, 适合LED drivers.
4.1.4 Constant Frequency with Peak Voltage Control and Constant Frequency with Valley Voltage Control
Fig 4.13展示了constant frequency with peak voltage and valley voltage control. 用固定fs的Clock和峰值/谷值电压检测决定上管开启和关闭时间. constant frequency能减小EMI, 因为频率固定, 容易设计EMI filter. 在轻载下constant frequency不会降低频率, 因此效率比不过constant on-time. 可通过增加load-dependent controller来动态改变开关频率, 提高效率.
如上图所示, 当Cout的ESR较大时, 电感电流给Cout的ESR上充电放电产生纹波, 电感电流信息可通过Vout纹波表现出, 相比电流模和电压模, 无需EA, 就能实现快瞬态响应. 可在PWM比较器的VP端叠加Vfb和Vramp来提高noise margin. 比较器的VP由于加入Vramp, VP和VN差异足够大, 因此noise immunity很强, 不会出现double pulse现象. 另外为了提高输出精度, VREF也可换成EA_OUT, EA的输入为Vref和Vout. 输出Vout通过两条反馈通路接入环路, 称为V-square (V2) 控制. 一条路直接连接PWM比较器, 提供电感电流信息, 提高瞬态响应, 一条路通过EA和VREF形成EA_OUT, 提供输出电压信息, 提高输出电压精度.
4.1.5 Summary of Topology of Ripple-Based Control
基于纹波控制的优点总结:
(1) Vout直接改变PWM比较器的占空比D, 设计比较器带宽大, delay小, 能快速响应
(2) 无需EA和额外补偿网络, 结构简单
(3) 除了constant frequency控制, 其他控制无需时钟产生器
(4) 对于Constant on-time和hysteretic中, 负载降低, 频率自动降低, 能提升轻载效率.
在轻载时, 只需 zero current detector (ZCD)就能检测负载电流, 从而自动改变开关频率, 基于纹波控制适合便携式设备.
基于纹波控制用于实际场景中问题:
(1) 输出电容ESR的选择决定了次谐波震荡和输出电压纹波之间的折中. ESR越大Vout纹波越大, 电感电流信息越大, 次谐波震荡越小. ESR越小Vout纹波越小, 电感电流信息越少, 越容易发生次谐波震荡.
(2) 由于无特定时钟, 导致EMI问题(除了constant frequency控制)
(3) 由于低low immunity可能造成jitter.
(4) peak/vally控制, DC loop gain低, 输出电压精度不高. (可通过Vout的Vref产生EAOUT解决, 即V2 control)
