如何使用电压模式控制器设计简单的两相均流同步降压稳压器

1.前言

许多有经验的设计人员都知道，通过简单地将补偿引脚连接在一起，使用峰值电流模式控制器通常更容易实现均流。我们可以通过这种方式获得合理的精度，因为电流模式控制器上的补偿电压与峰值电感电流成正比，后者与输出电流有关。将补偿引脚连接在一起可确保相间电流的均匀分布。

然而，当使用两个电压模式控制器时，事情就没有那么简单和直接了。因此，在这篇博文中，我将讨论一种让两个电压模式控制器均匀共享的方法。

2.电压模式控制与电流模式控制

电压模式控制 (VMC) 与电流模式控制 (CMC) 的优缺点是热门讨论话题。VMC 与 CMC 相比有几个优点，因为使用 CMC，高 di/dt 逐周期电流信息被注入反馈回路，以生成呈现给脉宽调制 (PWM) 比较器的斜坡电压；该信号与误差电压进行比较。VMC 在内部生成其斜坡，因此不太容易出现噪声和占空比抖动。

需要将逐周期电流馈入反馈回路以生成斜坡，需要对电流信息进行滤波，这一过程称为前沿消隐。前沿消隐影响最小可控导通时间，并在数据表中指定为 Ton min。Ton min (max) 是在高降压比设计中经常仔细检查的规格，因为它是转换器功率级必须超过的最小可控导通时间。VMC 通常可以实现非常小的占空比控制，而不会受到相对较大的前沿消隐时间的影响。

3.电流不平衡

因此，针对最初的问题，“你能将两个电压模式降压控制器的输出连接在一起吗？”，两相中的一相可能会达到电流限制，因为给定不同的电压，一相的输出将电流注入另一相每个阶段的设定点。即使输出设定点没有不同，各相也不太可能均匀共享，并且不平衡会导致两相中的一相提供比另一相更多的电流，而一相比另一相更热。为了让相位均匀分配，我们必须首先测量电流。

4.DCR 电流检测

直流电阻 (DCR) 感测是一种测量每相电流的方法，不会增加额外的损耗或成本。使用电感两端的电阻电容 (RC)，如图 1 所示，C1 上检测到的 Cs 电压与电感绕组的 LDCR 上检测到的电压成正比。检测到的电压也与输出电流成正比。

图 1：DCR 电流检测

5.电流共享

图 2 显示了两相 VMC 同步降压控制器的均流电路。差动放大器确保 VCsmstr 和 VCsslv 的电压相等。例如，如果主相电流大于从相，放大器负输入端的电压将导致放大器输出（Vinj）下降。注入电阻 (Rinj) 处的电压下降将导致从相电压升高。从相中增加的电流将减少主相中的电流。我建议选择 Rin 和 Rfb，这样如果两个相位都匹配良好且均匀，则放大器输出端的电压 (Vinj) 等于控制器的参考电压，并且反馈节点上没有电流源或灌电流。

均流电路不考虑两相的 LDCR 不匹配。如果初始 LDCR 精度不匹配，则相位之间的电流将不匹配。然而，这种不匹配会在一定程度上实现自我平衡。较低 LDCR 阶段的电流将更高，并且由于温度较高，违规阶段的 LDCR 将增加并朝着正确的方向调整共享。如果我们需要卓越的匹配，我们可以使用电流检测电阻代替 DCR 检测。

图 2：具有 DCR 电流感应的均流

6.电流检测放大器示例

再次查看图 2，考虑双通道 12V 输出，其中两相之间的输出电流均平衡为 10A，LDCR 为 12mΩ。

假设 C1 和 C2 两端的电压分别等于电流乘以每个通道的 LDCR。见等式 1：

公式 2 将放大器正输入端的电压表示为：

公式 3 假设理想运算放大器的输入电压相等：

公式 4 将流过 Rfb 的电流表示为：

其中欠平衡负载V(Cs slv ) = V(C mstr )和I Rfb = 20.2μA。

为了在平衡条件下没有电流提供给反馈节点，放大器的输出必须为 0.8V，这恰好是 TI LM5145 降压控制器的参考电压。所以等式5和6是：

如果相位之间存在不平衡，输出电压将调整为高于或低于 0.8V 反馈电压。如果 Vout 小于反馈电压——比如 0.7V（由于流入主设备的电流量大于从设备）——放大器将从反馈节点吸收电流，从设备的输出电压将调整到高于设定点根据公式 7 计算反馈电阻：

从机的输出电压将从 12V 增加到 12.2V，重新平衡每个相位的电流。

检流放大器需要高频衰减；一个电容器与反馈电阻器 Rfb 并联。

图 3 显示了使用最接近的首选值的电流检测放大器的实际设计。

图 3：电流检测放大器设计

综合起来——交错降压应用中的 LM5145 控制器

图 4 和图 5 显示了在具有电流平衡的交错应用中配置的两个 LM5145 电压模式同步降压控制器。正如我所讨论的，一个检测 LDCR 两端电压降的差动放大器实现了电流平衡。LM5145 的某些功能可以轻松实现两相交错降压。LM5145 在启动时实施二极管仿真，并确保一相中的电流不会流入另一相。如果相位之间出现任何电流不平衡，电流检测放大器将调整从属电压高于或低于其设定值，以确保相位负载均匀。

LM5145 的另一个优点是软启动和跟踪输入引脚。软启动会减慢启动时间并最大限度地减少启动期间的电流失配。除了软启动之外，我们还可以使用跟踪功能作为选项来精确排列两个阶段之间的启动和稳定时间。LM5145 的另一个有益功能是同步输入和同步输出功能。同步输入确保两个阶段同步。同步输出可确保时钟的 180 度相移，从而消除降压级输入电流的均方根 (RMS) 纹波电流，并显着降低输入电容器所需的 RMS 纹波电流额定值.

图 4：LM5145 主相

图 5：LM5145 和电流检测放大器从相

结果

图 6 显示了上述示例的测量结果。  

图 6：曲线显示在 24Vin、12Vout 在 11A 时几乎 97% 的峰值效率

图 7 显示了两相之间测得的均流精度。

图 7：显示电流共享的曲线：主机为 -2.5%，从机为目标的 +2.6%

图 8 显示了稳态条件下各相的开关节点和电感电流。

图 8：稳态性能：Vswitch 为 48V，电感电流为 20A 负载（通道 1 = Vswitch 主，通道 2 = Vswitch 从，通道 3 = 电感电流主，通道 4 = 电感电流从）

图 9 显示了负载阶跃期间的动态性能，显示了在此瞬态条件下电感电流如何在相位之间共享。

图 9：动态性能：48Vin 瞬态响应从 5A 到 15A (1A/µs)（通道 2 = Vout，通道 3 = 电感电流主，通道 4 = 电感电流从），Vout 扰动 = 100mV

7.结论

本文介绍了如何在需要更高电流和更高效率的双相应用中使用 LM5145 同步降压控制器进行设计。使用具有特定功能（例如预偏置启动（二极管仿真）和 SYNC IN/OUT 功能）的电压模式控制器可以实现相对简单的实现。VMC 与 CMC 相比具有无抖动、高电流性能和以更高降压比转换电压的能力。与使用电流模式控制的解决方案相比，这种采用 LM5145 的实施方案不会增加额外的复杂性、成本或功耗。