先前已經有先介紹過電壓模式控制應用於降壓轉換器上,然後再設計電壓模式控制應用於降壓轉換器時,需要特別注意於補償器電路的設計,因為決定好降壓轉換器的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、切換頻率之後,就可以計算出其所需的電感值與電容值。接下來就可以花點心思在補償器電路的設計。
如圖一所示之補償器電路在電壓模式控制應用於降壓轉換器將扮演不可或缺的角色,其必須要要使轉換器操作在不同的負載電流皆可以使用戶獲得穩定的輸出電壓,特別是在輸出端發生動態負載電流的變化,因為當負載電流發生動態變化時,其時間皆須在
1微秒之內完成負載電流之低電流到高電流或是高電流到低電流。圖一 電壓模式控制應用於降壓轉換器
圖一的電路圖可以經由輸入端與輸出端的定義而變成圖二的電壓模式控制應用於降壓轉換器之控制方塊圖,此可以透過控制學之梅森(Mason)所發明之信號控制圖來加以分析(如圖三所示),而可以清楚得出迴路增益(Loop Gain)為G(s)H(s),而其只要確信迴路增益可以使整個系統穩定即可。
圖二 電壓模式控制應用於降壓轉換器之控制方塊圖
圖三 Mason 所發明之信號控制圖
圖二與圖四可清楚了解Gd (Control-to-Output)、Fm (PWM Modulator)與補償器A (Compensator)其公式計算並可以組成T (Loop Gain) 迴路增益。迴路增益將決定整個電路是否具有好的穩定性,而判斷迴路增益的穩定性優劣的參數通常可以藉由:頻寬(Bandwidth)大小,其頻寬的定義為波德圖的增益(Gain)掉至0dB的位置其頻率的大小即是頻寬大小,而頻寬通常會設計在五分之一到十分之一的切換頻率附近,通常來說,頻寬越大其頻率快速響應將會更好。另一方面,亦須注意相位裕度 (Phase Margin),也就是當波德圖的增益(Gain)掉至0dB的位置其所對應的相位(Phase)的大小,亦是頻寬發生處其所對應的相位(Phase)的大小,通常來說,經設計會使相位裕度落在30度到60度的範圍內。然而,有時候頻寬與相位裕度是魚與熊掌不可以兼得的,所以在設計的時候,必須就要確保這兩個參數皆有好的數據。
圖四 控制方塊圖之所對應的公式
補償器電路為負回授誤差放大器與相關被動元件組合而成。按照不同的被動元件組合方式可以分成 Type-I、Type-II與Type-III補償器電路,如圖五(a)、圖五(b)、圖五(c)所示。圖五(a)的Type-I補償器電路,主要是由一個電阻與一個電容組合而成,其波德圖會有一個極點從極低頻起發生,所以在增益部分會呈現-20 dB/dec 下降,而相位部分則會一直呈現-90度情況。由於Type-I補償器電路並沒有零點可以提高相位角度,而較少被使用在降壓轉換器上。
圖五(a) Type-I 補償器電路
圖五(b)的Type-II補償器電路,主要是由兩個電阻與兩個電容組合而成,其波德圖一開始會有一個極點從極低頻起發生,接下來會遇到一個零點與另一個極點。然而唯一的零點勢必會在第二個極點的頻率位置之前,其原因在於C2電容通常會遠小於C1電容,造成先遇到零點,在遇到極點。然而電壓模式控制應用於降壓轉換器於電感電容共振點處會有雙極點發生,為了避免雙極點造成電路系統的不穩定,通常會使用Type-II的零點來設計在相同頻率處,以直接消除雙極點的一個極點,使迴路增益可以呈現-20dB斜率下降至頻寬處;至於補償器之第二個極點通常會設計在高頻處,約為二分之一至四分之一的頻率位置以有效衰減高頻段的增益,進而避免高頻時受到雜訊的干擾影響,而使電路出現抖動現象(jitter)。
圖五(b) Type-II 補償器電路
圖五(c)的Type-III補償器電路,主要是由三個電阻與三個電容組合而成,其波德圖一開始會有一個極點從極低頻起發生,接下來會遇到兩個零點與另兩個極點。然而此兩個零點勢必會在另兩個極點的頻率位置之前,其原因在於C2電容通常會遠小於C1電容,造成先遇到零點,在遇到極點。然而電壓模式控制應用於降壓轉換器於電感電容共振點處會有雙極點發生,為了避免雙極點造成電路系統的不穩定,通常會使用Type-III補償器電路的兩個零點來設計在相同頻率處,以直接消除雙極點,使迴路增益可以因此提高其頻寬;至於補償器之二個極點通常會設計在高頻處,約為二分之一至四分之一的頻率位置以有效衰減高頻段的增益,進而避免高頻時受到雜訊的干擾影響,而使電路出現抖動現象(jitter)。但是在輸出電容使用有較大的等效串聯電阻(ESR)的情況之下,其電壓模式控制應用於降壓轉換器之輸出電容與其等效串聯電阻所產生的零點會於在中低頻段發生,其亦能提高電路系統的穩定度,為此,Type-II補償器電路較常應用來進行設計,因為其除了可以達到補償功能之外,亦可以與Type-III補償器電路相比少使用一個電阻與一個電容。
圖五(c) Type-III 補償器電路