【導(dǎo)讀】相信各位工程師朋友們都遇到過電源不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象有可能是原理圖或者PCB設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致的，也有可能是環(huán)路補(bǔ)償不夠的因素；而由于次諧波振蕩導(dǎo)致的電源不穩(wěn)定現(xiàn)象，大家了解多少。
摘要
相信各位工程師朋友們都遇到過電源不穩(wěn)定的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象有可能是原理圖或者PCB設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致的，也有可能是環(huán)路補(bǔ)償不夠的因素；而由于次諧波振蕩導(dǎo)致的電源不穩(wěn)定現(xiàn)象，大家了解多少？
常用的開關(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(zhǔn)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(qū)動信號。這個環(huán)路最大的缺點(diǎn)是：開關(guān)電源的電流都會流經(jīng)電感，導(dǎo)致相應(yīng)的電壓信號有一定的延遲。
基于以上缺點(diǎn)，越來越多的電源廠商在設(shè)計產(chǎn)品的時候會加入電流反饋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(yīng)速度比較慢，控制環(huán)路更為復(fù)雜，所以實(shí)際應(yīng)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)廠商在芯片設(shè)計時的做法。
下圖（圖1）是峰值電流控制模式的簡要示意圖以及關(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程：
首先Ra和Rb對輸出電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過誤差放大器進(jìn)行補(bǔ)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(dāng)高端電流的值乘以Rsense達(dá)到控制電壓Vc時，關(guān)斷Mos的信號，在下一個時鐘頻率對開關(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關(guān)管峰值電流的恒定。
峰值電流PWM控制模式具有很強(qiáng)的負(fù)載調(diào)整能力以及輸入抗干擾能力，容易實(shí)現(xiàn)限流或者過流的保護(hù)，但是峰值電流控制模式有個缺點(diǎn)，當(dāng)占空比大于50%且處于CCM模式時，假如上一個周期電感電流有小的波動，在下一個周期這個波動會增大，這樣經(jīng)過N個周期之后，PWM占空比就會出現(xiàn)一大一小的情況，這就是我們說的出現(xiàn)了次諧波振蕩。
下面我們基于理論，對該現(xiàn)象進(jìn)行解釋：
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是開關(guān)管導(dǎo)通時電感電流上升的斜率，m2是開關(guān)管關(guān)斷是電感電流下降的斜率，是前一個周期電感電流受外界影響的波動，是下一個周期產(chǎn)生的誤差，表達(dá)式為：
（m2 從理論上來講，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的表達(dá)式為：
此時，m2>m1，經(jīng)過幾個周期之后結(jié)果呈發(fā)散狀態(tài)，偏移量會越來越大，PWM為了響應(yīng)這個反饋，會去調(diào)節(jié)占空比，出現(xiàn)占空比一大一小的情況；
如何應(yīng)對峰值電流控制模式中出現(xiàn)的次諧波振蕩？
目前的通用做法是采用鋸齒波電流補(bǔ)償技術(shù)，其原理為：在原本的控制電壓Vc信號上疊加一個鋸齒波補(bǔ)償信號，使其從恒定值變?yōu)橐粋€脈動的斜坡信號，然后電感電流信號乘以Rsense后，與新生成的脈動斜坡信號進(jìn)行比較，來反轉(zhuǎn)比較器；
圖4，加入斜坡補(bǔ)償后的峰值電流控制模式
從上圖（圖4）中可以看到, 在Vc上添加一個斜率為-m的斜坡，此時電感電流受到輸入干擾波動的表達(dá)式：
補(bǔ)償前： 
補(bǔ)償后: 
我們的目的是想要補(bǔ)償后表達(dá)式趨于收斂，m的值取通常只要m>0.5*m2,就可以保證補(bǔ)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題，有的工程師朋友可能會疑惑，在日常的研發(fā)中好像很少遇到這種問題？
主要是因?yàn)楝F(xiàn)在的IC設(shè)計中，通常已經(jīng)將斜坡補(bǔ)償集成到芯片中，大大降低了工程師通過外圍硬件電路中添加補(bǔ)償?shù)睦щy。
圖5 ，ADP2386內(nèi)部框圖，紅框內(nèi)為斜坡補(bǔ)償部分
我們以ADI的ADP2386為例，對斜坡補(bǔ)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)過誤差放大器Acs放大，加入斜坡補(bǔ)償后送入到比較器正端口，F(xiàn)B管腳和Reference比較后送入比較器的負(fù)端，之后通過兩者之間的比較給出控制信號，完成整個環(huán)路控制。
斜坡補(bǔ)償系數(shù)m是不是越大越好呢？不是的，因?yàn)殚_關(guān)電源都有一個自己的環(huán)路帶寬，通常用來衡量環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)，當(dāng)m增加的時候，開關(guān)電源的環(huán)路伯德圖中相位曲線會得到改善，增益曲線的諧振峰也會得到抑制。 但由此帶來的問題是環(huán)路帶寬的降低，動態(tài)響應(yīng)的降低，所以補(bǔ)償系數(shù)不是越大越好，合適的斜坡補(bǔ)償系數(shù)m應(yīng)該兼顧穩(wěn)定以及環(huán)路的動態(tài)。
總結(jié)
通過以上學(xué)習(xí)，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的次諧波振蕩。雖然現(xiàn)在絕大多數(shù)IC廠家在設(shè)計芯片時已經(jīng)幫助我們解決了這個問題，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(xì)的技術(shù)指導(dǎo)，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(xì)的技術(shù)支持。
參考資料：
1. ADP2386 | 內(nèi)部電源開關(guān)降壓穩(wěn)壓器 | 亞德諾（ADI）半導(dǎo)體 (analog.com)
2. 開關(guān)電源原理與設(shè)計 張占松版 電子工業(yè)出版社
（來源：駿龍科技，作者：陸聰）
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