LTspice中电流模式控制降压变换器的设计

在本文中，我们将通过检查LTspice中的示例电路布局来了解开关稳压器的电流模式控制（CMC）。

我之前的文章提供了电流模式控制（CMC）作为一种在DC-DC转换器中实现高性能电压调节的技术的理论概述。现在，我们将使用LTspice来更深入地了解这些电路的实际工作方式。

我创建了一个CMC降压转换器的LTspice示意图（图1），以帮助我们检查CMC的设计原理和操作。该电路是一个闭环系统，使用电压和电流反馈来锁定输出电压。

峰值CMC降压转换器的LTspice示意图。

图1。峰值CMC降压转换器的LTspice示意图。

原理图审查

该实现基于德州仪器公司文件“理解和应用电流模式控制理论”图6中的峰值CMC降压转换器。有一些重要的差异，我将在它们变得相关时进行解释。现在，让我们检查一下这个示意图的组件，以及它们对电路功能的贡献。

RSENSE和DIFF-AMP

通过放大与电感器（L）串联的电流感测电阻器（RSENSE）两端的电压来产生电流反馈信号。为了方便起见，我使用了任意行为电压源（DIFF-AMP），而不是SPICE版本的差分放大器。DIFF-AMP输出等于RSENSE两端的电压乘以10。

总电流-电压增益可计算如下：

反馈电压和误差放大器

输出电压连接到由RFB1和RFB2组成的电阻分压器。该分压器向由VREF、U1、RCOMP、CCOMP和CHF组成的补偿误差放大器提供反馈电压（VFB）。

完成控制回路

A1和A2通过使用电流反馈信号和电压误差信号来生成用于开关的适当栅极驱动波形来完成控制回路，在该示意图中，开关被实现为NMOS晶体管。A1是施密特触发器缓冲器，由于具有差分输入，所以用作比较器，A2是SR锁存器。LTspice称之为SRFLOP。

权力舞台

M1、M2、L、RSENSE和COUT属于功率级。注意，COUT值（图2）包括1 mΩ的ESR。

LTspice窗口显示CMC降压转换器模拟的输出电容值。电容为100μF，包括1 mΩ的ESR。

图2:用于CMC降压转换器模拟的COUT（包括ESR）。

我在以前的文章中已经讨论过buck拓扑，所以我不会在这里花太多时间。然而，我想评论一下这个特定电路的功率级的一些方面，即M1的栅极驱动电压以及两个开关而不是开关和二极管的存在。我们将在接下来的两节中讨论这些问题。

M1和M2可以在图3的左侧看到，图3显示了降压转换器的功率级。

LTspice示意图的一部分。完整示意图显示CMC降压转换器。这张示意图显示了降压转换器的功率级。

图3。CMC降压转换器的功率级部分示意图如图1所示。

提升M1栅极驱动器

如上所述，我们使用NMOS晶体管作为电源开关（M1）。我们不能仅仅用任何旧的逻辑信号来驱动栅极，就好像FET的源极在地一样。

我在这个电路中的主要逻辑电压是5V。由于VOUT也是5V，我们可以很容易地得出结论，5V的栅极电压不足以将这个FET变成有效的开关。在任何情况下，我们希望栅极电压高于VIN，而不仅仅高于VOUT。

物理实现可以通过包括用于提升栅极驱动信号的电荷泵电路来解决这种复杂性。对于LTspice实现，解决方案甚至更简单：我只告诉SR锁存器使用15V作为逻辑高电压（图4）。

显示SRFLOP值的LTspice窗口。它显示逻辑高电压等于15V，逻辑低电压等于0V。

图4。SR锁存器（SRFLOP）的逻辑高电压定义。

同步整流

用开关代替二极管的技术称为同步整流。这种方法与一长串好处有关：引用TI应用程序关于功率转换器设计中同步整流主题的说明，它“提高了效率、热性能、功率密度、可制造性和可靠性，并降低了电源系统的整体系统成本。”

有了这样的背书，很难为我在切换器模拟中使用二极管辩护。因为被驱动到全导通的FET比正向偏置的二极管下降更少的电压，所以同步整流在实际应用中是优选的；然而，当目标是解释基本原理而不是优化性能时，二极管看起来确实有点简单。另一方面，也许我只是怀念上世纪90年代以前的电路设计。

在任何情况下，第二开关都必须具有其自己的驱动信号，因为当高侧FET（M1）导通电流时，低侧MOSFET（在我的示意图中为M2）需要阻断电流，反之亦然。我通常会觉得这个要求有点烦人，但在这种情况下，这根本没有问题——我们已经在使用SR锁存器来生成PWM信号，而锁存器的Q-not输出正是我们第二个FET所需要的。

测量电流

众所周知，开关稳压器能够以最小的功率损耗转换电压，我们不得不在潜在的高电流电路路径中放置电阻元件，这有点令人失望（图5）。不过，总的来说，这对于当前模式控制的好处来说是一个很小的代价。

LTspice示意图的一部分。完整示意图显示CMC降压转换器。这张示意图显示了电流感应电阻器。。

图5。电流感应电阻器（RSENSE）。

RSENSE的值（10 mΩ）是为了平衡效率和精度——我们希望在产生足够大的电压以与噪声和放大器的非理想性很好地竞争的同时减少功耗。我的“放大器”是一个纯粹的数学组件，除非你故意将其包括在内，否则SPICE电路不会有噪声，所以如果我们愿意，我们可以在这个模拟中使用更小的电阻器。

在物理电路中，像INA240这样的东西将是放大RSENSE电压的好选择。

未完待续…

在本文中，我们主要通过其原理图来分析我们的示例CMC降压转换器。下一次，我们将通过在LTspice中生成电压波形来提高对电路的理解。