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| 用于固定开启时间稳压器的低 ESR 稳定技术 |
| 2008年6月23日 13:34
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Craig Varga
迟滞控制是最简单的稳压控制方法之一。这种控制方法非常简单，只需在输出电压低于参考电压时接通开关，在输出电压上升到稍高于参考电压时断开开关。因此输出纹波受到迟滞水平的直接影响。有些东西简单到难以想象，但并不总是越简单越好。随着输入电压的变化，开关频率往往也会有很大的变化。这是基于迟滞原理的稳压设计的最大缺点之一。
为了改善这一状况，业界开发出了固定开启时间的控制技术，这种技术只需增加一点点复杂性，即能提供明显改善的频率控制性能。这种技术需要在控制电路的信号路径上增加一个简单的单触发定时器。单触发定时器的周期可以进行编程，它是输入电压的反函数。只需通过连接到Vin的单个电阻就能实现编程。不过在这种设计中迟滞控制电路仍然需要保留，因此在反馈引脚上仍需要一定的纹波电压。很可惜，在某些情况下这一纹波分量可能超过所需。
陶瓷输出电容会使纹波的相位偏离电感电流90°，因此不能提供正确控制主开关所需的时序关系。图1中所示的电路可以解决这些问题，并且在某个例子中实现了完全与ESR无关，而电路复杂度只是稍许增加，输出纹波则有明显下降。
这些电路被配置为输入电压范围为15V到75V，输出10V标称电压时电流为1.25A。大多数测试是在输入电压为30V时完成的。
COT稳压器框图和典型应用电路如图1所示。
只要输出电容C2具有足够的ESR使其在开关频率点呈现阻性，这个电路都将正常工作。控制电路将输出的三角波纹波的底部稳定在标称的2.5V。只要Vout低于这一电平，取决于输入电压的开启时间就会被初始化，迫使输出电压稍微抬高一点。这一过程不断地重复进行。因此开关频率和输出纹波受设置的开启时间所控制。如果输出电容值非常大，就会有很少量的信号包含在输出纹波中，造成反馈信号的信噪比非常低，电路就会对噪声非常敏感。如果使用非常低ESR的电容，也会产生同样的问题，原因是信号幅度低，并且需要的信息被相移了90°。
图2是一个22uF陶瓷输出电容串联一个1.5Ω电阻的情况。
这种电路可以提供限定的、控制良好的ESR。开关电路非常稳定，工作可靠，但叠加在10V输出上的纹波峰峰值接近500mV。在许多情况下这个结果可能完全可以接受，从而认为设计已经完成。图3是为了减少纹波而取消了1.5Ω电阻时的情况，结果令人失望。
降低纹波电压
值得注意的是，开关脉冲是成串出现的，纹波看起来非常接近正弦波。为了使纹波幅度下降约一半，只能放弃正确的操作。仔细观察电路设计可以发现从哪里开始改进的首要线索。需要注意的是，R1/R2分压器用于向稳压器提供反馈并设置想要的输出电压。这个分压器会同时衰减纹波电压和直流电平，因此会降低供给控制电路的有效交流信号。这里所说的稳压器参考电压是2.5V，因此对于10V输出来说分压比是4:1。如果上面的分压电阻R1再并接一个电容，并且这个电容在开关频率点的阻抗低于R1，那么就可以显著地改善交流信号，同时不影响直流稳压。将拐点频率设在开关频率的大约1/10处。当开关频率为500kHz时，对RC来说意味着50kHz的截止频率。由于C=1/2πRF，当R1等于3kΩ时，可以计算得到电容值大约为1,000pF。因此可以获得增加4倍的交流反馈信号，从理论上讲应该可以将ESR减少4倍，并重新获得正确操作。折合成ESR为375mΩ。新电路如图4所示。
图5显示了上面过程的结果。纹波下降到约150mV峰峰值，开关频率则与先前例子中几乎相同。
如果负载端有另外的电容，问题就来了。为了正常工作，对取决于滤波电容ESR的设计来说，这一点特别需要加以关注。一般来说，只要附加电容与稳压器的输出电容之间有数英寸的距离，那么两部分电路之间就有足够的引线电感进行隔离，电路不会受到负面影响。这里有个例子，即在距离主输出电容约1英寸的地方增加一个10uF、35V、125mΩ ESR的钽电容。可以看到，纹波现在下降到了约35mV峰峰值，如图6所示。值得注意的是，输出纹波电压仍与开关节点电压同相。这意味着负载在开关频率点仍呈很大的阻性。
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