降壓DC-DC結構簡介

降壓轉換器被廣泛應用于各種消費性和工業上的應用之中，其中常需轉換器將較高的輸入電壓轉換成一較低的輸出電壓?，F有的降壓轉換器效率非常好，并能在變化范圍很大的輸入電壓和輸出負載的條件下，仍產生調節良好的輸出電壓。

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降壓轉換器有很多不同的回路控制方式：

在過去，被廣泛使用的是電壓模式和電流模式，然而近來恒定導通時間（COT）架構也常被使用，而有些降壓轉換器則是同時由電流模式和恒定導通時間來控制的。

此報告將比較直流降壓變換器架構，包括電流模式、電流模式-恒定導通時間 (CMCOT)。將詳細解說兩種架構之間的差異，并將列出每一種架構在實際應用中優缺點。

1.電流模式降壓轉換器

電流模式降壓轉換器之內部功能框圖顯示于圖一

圖一、電流模式轉換器之內部功能框圖

在典型的電流模式控制中，會有一個恒定頻率來啟動高側MOSFET，并有一誤差放大器將反饋信號與參考電壓作比較。然后，電感電流的上升斜率再與誤差放大器的輸出作比較；當電感電流超過誤差放大器的輸出電壓時，高側MOSFET 即被關斷 (OFF)，而電感電流則流經低側MOSFET，直等到下一個時鐘來到。

電流斜坡再加上斜率補償之斜坡是為要避免在高占空比時的次諧波振蕩，并提高抗噪聲性能。電流模式轉換器回路帶寬（FBW）是由誤差放大器輸出端的補償元件來設定，通常設在遠低于轉換器的開關頻率。

電流模式轉換器穩態和負載瞬態變化操作之波形顯示于圖二

圖二、電流模式轉換器之穩態與負載瞬態的波形

恒定頻率頻率使得電流模式控制的系統對于負載的突然變化，反應會相當地慢，尤其是用在低占空比的應用之中。這是因為一旦高側 MOSFET 被關斷(OFF) ，它就會一直保持關斷，直等到下一個頻率來到。當轉換器試圖滿足新的負載需求時，帶寬的大小也限制了可達到的最大占空比。

在負載呈現快速步階變化的應用中，電流模式轉換器則會產生較大的輸出電壓波動。在步階負載時，電壓驟降值 ΔV 是和負載步階的幅度和速率、輸出電容和轉換器的帶寬有關。為確保電流模式轉換器有良好的穩定性，回路帶寬通常設在開關頻率的 1/10 或甚至更低。

電流模式轉換器的另一個缺點是，控制高側 MOSFET關斷的決定點是在高側MOSFET 導通的時候 (ON)，即在電流與系統的噪聲都較高的時候。因此有必要要過濾噪聲，并且也對高側 MOSFET 的最小導通時間造成一些限制。如此反過來又限制了降壓轉換器的最小占空比范圍。

恒定斜率補償通常也會在某些特定的輸入和輸出電壓條件下，限制電感值的大小。

電流模式轉換器具有的優點：內部頻率使開關頻率得以在各種輸入和輸出條件下，都保持非常穩定；這在某一些應用中是非常重要的。此內部頻率也可以與外部頻率信號同步，所以在相同的頻率下，可運作數個轉換器。

電流模式降壓轉換器的優點和缺點

優點：

·穩定的恒定頻率

·可與外部頻率同步

·成熟的技術

缺點：

·對快速負載步階的反應較慢

·需誤差放大器補償

·需斜率補償

2.電流模式- COT（CMCOT）降壓轉換器

電流模式-COT 降壓轉換器之內部功能框圖顯示于圖三

圖三、電流模式-恒定導通時間轉換器之內部功能框圖

CMCOT降壓轉換器并沒有內部頻率；高側 MOSFET 會恒定導通一段預定導通 (ON) 時間。占空比是借著改變高側 MOSFET 的關斷 (OFF) 時間而調整的。 CMCOT 轉換器也包含了電流檢測及誤差放大器。然而現在則是用電流的下降斜率和誤差放大器的輸出作比較，所以電流檢測是藉由低側 MOSFET。這比較容易實現，而且也較不易受噪聲影響，特別是在低占空比的情況之下，因為系統不需要等待下一個頻率來到，所以能較快速地反應突然的步階 負載。一當輸出凹陷/下沉，誤差放大器之輸出電壓會上升，且上升至電流的下降斜率時，一個新的導通 (ON) 時間周期就會啟動，使轉換器之電流再次上升。

CMCOT 轉換器之穩態和負載瞬態變化操作之波形顯示于圖四

圖四、電流模式 – COT 轉換器之穩態與負載瞬態的波形

電流的谷值是隨著誤差放大器的輸出而定的，因此誤差放大器的增益和速率會影響轉換器之反應速率。在CMCOT架構中，由補償元件所設定的最大帶寬是和導通(ON)時間的倒數有關的，并不像電流模式是和開關頻率有關。因此CMCOT轉換器的帶寬會比電流模式轉換器的帶寬高，而且在快速的負載步階時，輸出電壓的波動也較小。CMCOT在高占空比時，不會有次諧波振蕩的問題，因此就不需要斜率補償，而這就使得可選擇的電感值范圍更大。

在僅有恒定導通時間控制之架構中，不同輸入和輸出電壓條件下，開關頻率的變化范圍可能會很大。然而，CMCOT 轉換器的導通 (ON) 時間是由一個特殊的電路來控制的，它會慢慢地調整導通時間，以調節平均的開關頻率，使其達到所默認的頻率。和電流模式類似的是，在有步階負載時，電壓驟降 值 ΔV 是和負載步階的幅度和速率、輸出電容和轉換器的帶寬有關；而所不同的是地方則是，在 CMCOT 中，由補償元件所設定的最大帶寬可高于開關頻率的1/10。

CMCOT也有一些缺點：

由于轉換器是由改變頻率來調節輸出電壓，所以轉換器無法和外部頻率同步。頻率控制回路的波形也顯示開關頻率的改變是和負載的瞬態變化有關。

CMCOT 降壓轉換器的優點和缺點

優點：

·快速反應負載步階的變化

·低側電流檢測

·最低導通時間小，占空比可較低

·無需斜率補償

缺點：

·需誤差放大器補償

·無法與外部頻率同步

·負載瞬態變化時，頻率變化范圍較大

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