在LTspice中设计电流模式控制降压转换器
发布日期:2023-12-19
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电流模式控制 (CMC) 作为一种在 DC-DC 转换器中实现高性能电压调节的技术进行了理论概述。现在我们将使用 LTspice 来仔细研究这些电路的实际工作原理。
我创建了 CMC 降压转换器的 LTspice 原理图（图 1），以帮助我们检查 CMC 设计原理和操作。该电路是一个闭环系统，使用电压和电流反馈来锁定输出电压。
图 1.峰值 CMC 降压转换器的 LTspice 原理图。
原理图审查
该实现基于德州仪器 (TI) 文档“理解和应用电流模式控制理论”图 6 中的峰值 CMC 降压转换器。有一些重要的差异，我将在相关时对其进行解释。现在，让我们检查一下该原理图的组件以及它们如何对电路的功能做出贡献。
R Sense和 DIFF-AMP
通过放大与电感器 ( L )串联的电流检测电阻器 ( R SENSE ) 两端的电压来生成电流反馈信号。为了方便起见，我使用任意行为电压源 (DIFF-AMP)，而不是 SPICE 版本的差分放大器。DIFF-AMP 输出等于R SENSE两端的电压乘以 10。
总电流电压增益可计算如下： RSENSE × GDIFF?AMP = 10 mΩ × 10 V/V = 0.1 V /A
反馈电压和误差放大器
输出电压连接至由R FB1和R FB2组成的电阻分压器。该分压器将反馈电压 ( V FB ) 传送至由V REF、U1、R COMP、C COMP和CH HF组成的补偿误差放大器。
完成控制循环
A1 和 A2 通过使用电流反馈信号和电压误差信号来完成控制环路，为开关生成适当的栅极驱动波形，在此原理图中，开关被实现为 NMOS 晶体管。A1 是施密特触发器缓冲器，由于具有差分输入，因此起到比较器的作用，A2 是 SR 锁存器。LTspice 将其称为 SRFLOP。
功率级
M1、M2、L、R SENSE和C OUT属于功率级。请注意，C OUT值（图 2）包括 1 mΩ 的ESR。
LTspice 窗口显示 CMC 降压转换器仿真的输出电容值。 电容为 100 F，包含 1 mΩ ESR。
图 2. CMC 降压转换器仿真的C OUT （包括 ESR）。
我已经在之前的文章中讨论过降压拓扑，因此这里不会花太多时间。不过，我想对这个特定电路的功率级的某些方面进行评论，即 M1 的栅极驱动电压以及两个开关（而不是开关和二极管）的存在。我们将在接下来的两节中讨论这些。
M1 和 M2 可以在图 3 的左侧看到，该图显示了降压转换器的功率级。
LTspice 原理图的一部分。 完整原理图显示了 CMC 降压转换器。 该原理图显示了降压转换器的功率级。
图 3.图 1 中 CMC 降压转换器原理图的功率级部分。
升压 M1 栅极驱动
正如我上面提到的，我们使用NMOS 晶体管作为电源开关 (M1)。我们不能像 FET 的源极接地一样用任何旧的逻辑信号驱动栅极。
该电路中的主要逻辑电压为 5V。由于V OUT也是 5V，我们可以很容易地得出结论：5V 的栅极电压不足以将该 FET 转变为有效的开关。无论如何，我们希望栅极电压高于V IN，而不仅仅是高于V OUT。
物理实现可以通过包含电荷泵电路来增强栅极驱动信号来解决这一复杂问题。通过 LTspice 实现，解决方案更加简单：我只需告诉 SR 锁存器使用 15V 作为逻辑高电压（图 4）。
显示 SRFLOP 值的 LTspice 窗口。 它显示逻辑高电压等于 15 V，逻辑低电压等于 0 V。
图 4. SR 锁存器 (SRFLOP) 的逻辑高电压定义。
同步整流
使用开关代替二极管的技术称为同步整流。这种方法具有一系列优点：引用TI关于电源转换器设计中同步整流主题的应用说明，它“提高了效率、热性能、功率密度、可制造性和可靠性，并降低了总体系统成本”的供电系统。”
有了这样的认可，就很难为我在切换器模拟中使用二极管辩护了。由于驱动至完全导通的 FET 比正向偏置二极管降低的电压更小，因此在实际应用中同步整流更可取。然而，当目标是解释基本原理而不是优化性能时，二极管确实看起来更简单一些。另一方面，也许我只是怀念 20 世纪 90 年代之前的电路设计。
无论如何，第二个开关必须有自己的驱动信号，因为当高侧 FET (M1) 传导电流时，低侧 FET（原理图中的 M2）需要阻止电流，反之亦然。我通常会觉得这个要求有点烦人，但在这种情况下，根本没有问题——我们已经使用 SR 锁存器来生成 PWM 信号，并且锁存器的 Q-not 输出正是我们第二个 FET 所需要的。
测量电流
开关稳压器以以功耗转换电压而闻名，但令人有点失望的是，我们必须在潜在的高电流电路路径中放置电阻元件（图 5）。但总的来说，为了获得电流模式控制的好处，这只是一个很小的代价。
LTspice 原理图的一部分。 完整原理图显示了 CMC 降压转换器。 这张原理图显示了电流检测电阻。
图 5.电流检测电阻 ( R SENSE )。
R SENSE (10 mΩ)的值是平衡效率和精度的一种尝试——我们希望减少功耗，同时生成足够大的电压，以与噪声和放大器非理想情况良好竞争。我的“放大器”是一个纯粹的数学组件，除非您故意包含它，否则 SPICE 电路不会有噪声，因此如果我们愿意，我们可以在该模拟中使用更小的电阻。
在物理电路中，像INA240这样的器件是放大R SENSE电压的不错选择。
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