（萬國(guó)半導(dǎo)體元件（深圳）有限公司，上海200070）

0 前言

目前，電焊機(jī)的主控制板上通常需要一些降壓Buck變換器為CPU、存儲(chǔ)器等芯片供電，Buck變換器有電壓模式和電流模式兩種控制類型。相比于電壓模式，電流模式由于電流取樣信號(hào)加入反饋，抵消了由電感產(chǎn)生的雙極點(diǎn)中的一個(gè)極點(diǎn)，從而形成單階系統(tǒng)，因此其具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好和反饋環(huán)容易設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，從而獲得更為廣泛的應(yīng)用。

降壓Buck變換器的輸出電感工作在單端方式，一般情況下電感的極性對(duì)于系統(tǒng)的反饋環(huán)路以及系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響。但是在一些應(yīng)用條件下，當(dāng)輸出電壓低、占空比小時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)受電感極性影響。在此將具體討論這些問題，并詳細(xì)分析原因。

1 問題的提出

測(cè)試電路為電流模式的降壓Buck變換器，輸入電壓Uin=12 V，輸出Uo=1.1 V，電流Io=3 A。測(cè)試條件：C1=22 μF，C2=32 μF，R1=3.9 kΩ，R2=10.2 kΩ，R3=10 kΩ，Rc=20 kΩ，Cc=5.6 nF，Cff=1 nF，L=3.6 μH，fs=500 kHz，U1型號(hào)為 AOZ1073，如圖 1a所示。

圖1 測(cè)試電路及波形

通常在電感表面對(duì)應(yīng)著其中的一個(gè)管腳，標(biāo)識(shí)有一個(gè)圓點(diǎn)，其含義是線圈繞組的起始點(diǎn)和極性，如圖2所示。先將該圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管腳連接到輸出Uo，測(cè)試相關(guān)的電壓波形和相位裕量；然后，電感旋轉(zhuǎn)180°，將圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管腳連接到U1的LX管腳，測(cè)試相關(guān)電壓波形和相位裕量。

電感起始點(diǎn)連接Uo的測(cè)試結(jié)果分別如圖1b和圖1d所示，電感起始點(diǎn)連接LX的測(cè)試結(jié)果分別如圖1c和圖1e所示。

圖2 電感的極性

可以看出，當(dāng)電感起始點(diǎn)連接Uo時(shí)，LX的波形出現(xiàn)大小波，系統(tǒng)產(chǎn)生明顯振蕩，網(wǎng)絡(luò)分析儀不能測(cè)量到正確結(jié)果。當(dāng)電感起始點(diǎn)連接LX時(shí)，LX的波形工作正常，網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量為：帶寬44.55 kHz，相位裕量33.82°。

2 分析討論

為了分析輸出電壓是否受到電感極性影響，測(cè)試時(shí)將輸出電壓1.1 V提高至3.3 V。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電感的極性對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響。這表明只有在輸出電壓較低、占空比小時(shí)，電感極性才對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響。

通常對(duì)于電流模式工作的電源芯片，在一些特定條件下可以從正常工作的電流模式轉(zhuǎn)到電壓模式[1-3]。當(dāng)占空小、輸出輕載或無負(fù)載時(shí)以及使用非常大的電感時(shí)，由于電流信號(hào)非常小或受最小導(dǎo)通時(shí)間的限制，系統(tǒng)會(huì)由電流模式進(jìn)入電壓模式[4-5]。

由此可見，當(dāng)電流模式的電源芯片將12 V轉(zhuǎn)為1.1 V時(shí)，占空比低于10%，極有可能工作在電流模式和電壓模式的臨界狀態(tài)。由于電感的極性影響空間磁場(chǎng)方向，那么磁場(chǎng)在系統(tǒng)反饋環(huán)路中有可能產(chǎn)生耦合電流或電壓信號(hào)，從而影響系統(tǒng)工作狀態(tài)。如果它在系統(tǒng)的反饋環(huán)產(chǎn)生更強(qiáng)的正向電流檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)一直工作在起始電流模式；如果它在系統(tǒng)的反饋環(huán)產(chǎn)生反向電流檢測(cè)信號(hào)，即進(jìn)一步減弱電流檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)更趨向于由電流模式轉(zhuǎn)向電壓模式。系統(tǒng)通常是基于電流模式的特性設(shè)計(jì)反饋環(huán)，當(dāng)系統(tǒng)在兩種模式間來回切換工作時(shí)，系統(tǒng)可能產(chǎn)生不穩(wěn)定性問題。

最容易受到干擾的是系統(tǒng)反饋環(huán)路中阻抗較大的回路，相比于電流模式電源芯片的特性，COMP腳的阻抗較大，因此空間磁場(chǎng)最有可能在該處產(chǎn)生干擾，引入電流信號(hào)。

電感和COMP管腳組成的耦合回路如圖3所示，電感繞組的起始點(diǎn)連接到LX管腳。由電感的繞線方式可知，當(dāng)電流從電感繞組的起始點(diǎn)流入時(shí)，根據(jù)右手定則在電感磁心中產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閺纳舷蛳铝魅爰埨?，那么在圖3的耦合回路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向?yàn)閺南孪蛏狭鞒黾埫?，圖中黑點(diǎn)表示耦合回路中產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向。

電流模式的電源芯片工作在峰值電流模式，因此只考慮上管開通的電感電流上升階段。在電感電流上升階段，電感的磁心激磁，耦合回路的感應(yīng)電流方向產(chǎn)生的磁場(chǎng)一定與電感的磁心產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，其方向?yàn)閺纳舷蛳铝魅爰埨?。再根?jù)右手定則，耦合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向?yàn)閺牡亓鬟^Rc和Cc，然后流入COMP管腳。

圖3 電感的耦合回路

電流模式工作時(shí)，COMP管腳電壓是電流檢測(cè)信號(hào)的給定信號(hào)，當(dāng)電流檢測(cè)信號(hào)值等于COMP管腳電壓時(shí)，PWM產(chǎn)生關(guān)斷上管的信號(hào)。電流檢測(cè)信號(hào)越強(qiáng)，上升到COMP管腳電壓的時(shí)間越短，PWM提前關(guān)斷上管信號(hào)。

電感繞組的起始點(diǎn)連接到LX管腳時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向從地經(jīng)過Rc和Cc流入COMP管腳，這種連接方向降低了COMP腳的電壓，相當(dāng)于加強(qiáng)電流反饋。可以防止在低占空工作條件下系統(tǒng)進(jìn)入到電壓模式，不容易產(chǎn)生振蕩。

相反，當(dāng)電感繞組的起始點(diǎn)連接到輸出Uo時(shí)，進(jìn)一步減小電流反饋信號(hào)，系統(tǒng)容易進(jìn)入電壓模式，產(chǎn)生振蕩。

輸出電壓越低，系統(tǒng)越容易進(jìn)入電壓模式；同時(shí)，電感的 di/dt和（Uin-Uo）成正比，Uo越低，di/dt越大，干擾越強(qiáng)。因此，電感繞組的起始點(diǎn)不同的連接方式對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響就越明顯。

但是，當(dāng)系統(tǒng)的輸出電壓較高時(shí)，占空比大，電流反饋信號(hào)很大。相對(duì)于電流反饋信號(hào)，干擾的感應(yīng)電流信號(hào)非常小，因此，系統(tǒng)干擾感應(yīng)電流信號(hào)對(duì)環(huán)路的影響可以忽略，電感繞組起始點(diǎn)的連接方式對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性幾乎沒有影響，系統(tǒng)不容易產(chǎn)生振蕩。

3 系統(tǒng)仿真及測(cè)試

將輸出電感加一個(gè)繞組形成耦合電感進(jìn)行仿真研究并實(shí)際測(cè)試結(jié)果。通過寄生回路的電感計(jì)算耦合電感的初級(jí)和次級(jí)的匝比，然后將耦合電感的二次側(cè)繞組聯(lián)接入地和Rc-Cc環(huán)路之間。耦合電感的仿真及測(cè)試波形如圖4所示?？梢钥闯?，改變電感極性，即電感繞組的起始點(diǎn)的連接方式，COMP管腳的電壓在20～50 mV變化。電感起始點(diǎn)連接LX時(shí)，COMP管腳電壓變低，電感起始點(diǎn)連接Uo時(shí)，COMP管腳電壓升高。且電感起始點(diǎn)連接LX時(shí)，系統(tǒng)帶寬小，相位裕量大，系統(tǒng)容易穩(wěn)定。此外，輸出電容及輸出回路的ESL同樣影響到系統(tǒng)穩(wěn)定，干擾信號(hào)會(huì)通過FB管腳進(jìn)入系統(tǒng)環(huán)路，原理與上述分析結(jié)果基本相同。即在低占空比工作條件下，系統(tǒng)反饋環(huán)路中引入的電流信號(hào)越強(qiáng)，系統(tǒng)越容易穩(wěn)定

圖4 耦合電感的仿真及測(cè)試波形

4 結(jié)論

（1）在低占空比工作條件下，電流檢測(cè)信號(hào)小，電源芯片工作在電流模式和電壓模式的臨界狀態(tài)，系統(tǒng)容易受到干擾，從而產(chǎn)生振蕩。

（2）在低占空比工作條件下，電感繞組的起始點(diǎn)連接到LX管腳時(shí)，耦合的感應(yīng)電流導(dǎo)致COMP腳電壓降低，從而加強(qiáng)電流信號(hào)的反饋，系統(tǒng)不易從電流模式轉(zhuǎn)入電壓模式工作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）在高占空比工作條件下，電流檢測(cè)信號(hào)非常大，電感繞組的起始點(diǎn)不同的連接方式對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性沒有影響。