【導讀】相信各位工程師朋友們都遇到過(guò)電源不穩定的現象，這種現象有可能是原理圖或者PCB設計不當導致的，也有可能是環(huán)路補償不夠的因素；而由于次諧波振蕩導致的電源不穩定現象，大家了解多少。
摘要
相信各位工程師朋友們都遇到過(guò)電源不穩定的現象，這種現象有可能是原理圖或者PCB設計不當導致的，也有可能是環(huán)路補償不夠的因素；而由于次諧波振蕩導致的電源不穩定現象，大家了解多少？
常用的開(kāi)關(guān)變換器的閉環(huán)反饋控制有電壓型控制和電流型控制兩種。電壓型PWM控制技術(shù)是指輸出的電壓Vout和基準電壓Vfb進(jìn)行比較后，得到的誤差信號Verror。該誤差信號與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號進(jìn)行比較，然后由PWM比較器輸出占空比變化的矩形波驅動(dòng)信號。這個(gè)環(huán)路最大的缺點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)電源的電流都會(huì )流經(jīng)電感，導致相應的電壓信號有一定的延遲。
基于以上缺點(diǎn)，越來(lái)越多的電源廠(chǎng)商在設計產(chǎn)品的時(shí)候會(huì )加入電流反饋PWM控制模式，而電流控制模式又分為峰值電流控制模式以及平均電流控制模式。相比峰值電流控制模式，平均電流控制模式響應速度比較慢，控制環(huán)路更為復雜，所以實(shí)際應用中峰值電流控制模式更為普遍。本文將重點(diǎn)介紹峰值電流控制模式下的電源環(huán)路，并且以ADI的電源為例闡述目前相關(guān)廠(chǎng)商在芯片設計時(shí)的做法。
下圖（圖1）是峰值電流控制模式的簡(jiǎn)要示意圖以及關(guān)鍵信號的波形圖
圖1峰值電流控制模式示意圖及關(guān)鍵型號的波形圖
峰值電流控制的工作過(guò)程：
首先Ra和Rb對輸出電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過(guò)誤差放大器進(jìn)行補償后得到控制電壓Vc。Vc電壓作為比較器的反相輸入，高端電流采樣作為同相輸入。當高端電流的值乘以Rsense達到控制電壓Vc時(shí)，關(guān)斷Mos的信號，在下一個(gè)時(shí)鐘頻率對開(kāi)關(guān)信號進(jìn)行重新置位；峰值電流控制模式的主要作用是保持開(kāi)關(guān)管峰值電流的恒定。
峰值電流PWM控制模式具有很強的負載調整能力以及輸入抗干擾能力，容易實(shí)現限流或者過(guò)流的保護，但是峰值電流控制模式有個(gè)缺點(diǎn)，當占空比大于50%且處于CCM模式時(shí)，假如上一個(gè)周期電感電流有小的波動(dòng)，在下一個(gè)周期這個(gè)波動(dòng)會(huì )增大，這樣經(jīng)過(guò)N個(gè)周期之后，PWM占空比就會(huì )出現一大一小的情況，這就是我們說(shuō)的出現了次諧波振蕩。
下面我們基于理論，對該現象進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>
圖2，峰值電流控制模式中占空比小于50%示意圖
如上圖（圖2）所示，在峰值電流控制模式中占空比小于50%的情況，m1是開(kāi)關(guān)管導通時(shí)電感電流上升的斜率，m2是開(kāi)關(guān)管關(guān)斷是電感電流下降的斜率，是前一個(gè)周期電感電流受外界影響的波動(dòng)，是下一個(gè)周期產(chǎn)生的誤差，表達式為：
（m2 從理論上來(lái)講，m2
圖3，峰值電流控制模式中占空比大于50%示意圖
如上圖（圖3）所示，，在峰值電流控制模式中占空比大于50%的情況下，電感電流受到輸入干擾波動(dòng)的表達式為：
此時(shí)，m2>m1，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期之后結果呈發(fā)散狀態(tài)，偏移量會(huì )越來(lái)越大，PWM為了響應這個(gè)反饋，會(huì )去調節占空比，出現占空比一大一小的情況；
如何應對峰值電流控制模式中出現的次諧波振蕩？
目前的通用做法是采用鋸齒波電流補償技術(shù)，其原理為：在原本的控制電壓Vc信號上疊加一個(gè)鋸齒波補償信號，使其從恒定值變?yōu)橐粋€(gè)脈動(dòng)的斜坡信號，然后電感電流信號乘以Rsense后，與新生成的脈動(dòng)斜坡信號進(jìn)行比較，來(lái)反轉比較器；
圖4，加入斜坡補償后的峰值電流控制模式
從上圖（圖4）中可以看到, 在Vc上添加一個(gè)斜率為-m的斜坡，此時(shí)電感電流受到輸入干擾波動(dòng)的表達式：
補償前： 
補償后: 
我們的目的是想要補償后表達式趨于收斂，m的值取通常只要m>0.5*m2,就可以保證補償后趨于收斂狀態(tài)；
基于上文闡述的峰值電流控制模式中的次諧波振蕩問(wèn)題，有的工程師朋友可能會(huì )疑惑，在日常的研發(fā)中好像很少遇到這種問(wèn)題？
主要是因為現在的IC設計中，通常已經(jīng)將斜坡補償集成到芯片中，大大降低了工程師通過(guò)外圍硬件電路中添加補償的困難。
圖5 ，ADP2386內部框圖，紅框內為斜坡補償部分
我們以ADI的ADP2386為例，對斜坡補償下峰值電流控制模式如何工作進(jìn)行分析：首先Rsense采集到的電感電流，經(jīng)過(guò)誤差放大器Acs放大，加入斜坡補償后送入到比較器正端口，FB管腳和Reference比較后送入比較器的負端，之后通過(guò)兩者之間的比較給出控制信號，完成整個(gè)環(huán)路控制。
斜坡補償系數m是不是越大越好呢？不是的，因為開(kāi)關(guān)電源都有一個(gè)自己的環(huán)路帶寬，通常用來(lái)衡量環(huán)路的動(dòng)態(tài)響應，當m增加的時(shí)候，開(kāi)關(guān)電源的環(huán)路伯德圖中相位曲線(xiàn)會(huì )得到改善，增益曲線(xiàn)的諧振峰也會(huì )得到抑制。 但由此帶來(lái)的問(wèn)題是環(huán)路帶寬的降低，動(dòng)態(tài)響應的降低，所以補償系數不是越大越好，合適的斜坡補償系數m應該兼顧穩定以及環(huán)路的動(dòng)態(tài)。
總結
通過(guò)以上學(xué)習，相信大家已經(jīng)初步掌握峰值電流控制模式以及由此可能帶來(lái)的次諧波振蕩。雖然現在絕大多數IC廠(chǎng)家在設計芯片時(shí)已經(jīng)幫助我們解決了這個(gè)問(wèn)題，但深入了解次諧波振蕩的原理及處理方法，對我們進(jìn)行電源研發(fā)還是大有裨益的。更詳細的技術(shù)指導，您可聯(lián)系駿龍科技各地辦事處。駿龍科技的技術(shù)人員愿意為您提供更詳細的技術(shù)支持。
參考資料：
1. ADP2386 | 內部電源開(kāi)關(guān)降壓穩壓器 | 亞德諾（ADI）半導體 (analog.com)
2. 開(kāi)關(guān)電源原理與設計 張占松版 電子工業(yè)出版社
（來(lái)源：駿龍科技，作者：陸聰）
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