環(huán)路補償是設計DC-DC轉換器的關鍵步驟。如果應用中的負載具有較高的動態(tài)范圍，設計人員可能會發(fā)現轉換器不再能穩(wěn)定的工作，輸出電壓也不再平穩(wěn)，這是由于控制環(huán)路穩(wěn)定性或帶寬帶來的影響。了解環(huán)路補償理論有助于設計人員處理典型的板級電源應用問題。

本文分為三個部分。前兩部分討論控制系統(tǒng)理論、通用降壓DC-DC轉換器拓撲以及如何設計DC-DC控制環(huán)路。在第三部分，將以ADI MAX25206為例說明如何應用控制理論來評估和設計DC-DC控制環(huán)路。

控制系統(tǒng)理論簡介

在自然界中，控制系統(tǒng)無處不在?？照{控制室內溫度，駕駛員控制汽車行駛的方向，控制煮餃子時的水溫，諸如此類?？刂剖侵笇ιa過程中的一臺設備或一個物理量進行操作，使一個變量保持恒定或沿預設軌跡運動的動態(tài)過程。通常，自然界中的系統(tǒng)是非線性的，但微觀過程可以被視為線性系統(tǒng)。在半導體領域，微電子學會被視為一個線性系統(tǒng)。

可實現自動控制的系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，反之則是開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)的輸出信號不影響輸入信號。就像在圖1中，G(s)是系統(tǒng)在復頻域的傳遞函數。

圖1.開環(huán)系統(tǒng)

VI是輸入信號，VO是復頻域的輸出信號。圖2中的閉環(huán)系統(tǒng)具有從輸出到輸入的反饋路徑。系統(tǒng)的輸入節(jié)點將是輸入信號和反饋信號之差。

圖2.閉環(huán)系統(tǒng)

當控制器迭代直到輸入信號等于反饋信號時，控制器達到穩(wěn)態(tài)。使用數學方法可以得到以下閉環(huán)系統(tǒng)方程：

然后簡化方程如下：

其分母相位(式4)既是開環(huán)轉換函數(也稱為環(huán)路增益)。其增益幅度表明反饋的強度，其帶寬是閉環(huán)系統(tǒng)的可控帶寬。當然，其相移也會疊加。應該知道，如果環(huán)路增益大于0dB，同時相移為180°，則控制環(huán)路將以正反饋工作并形成一個振蕩器。這是穩(wěn)定性設計的一個關鍵。 設計人員應確保相位裕量和增益裕量在安全范圍內，否則整個系統(tǒng)環(huán)路將開始自振蕩。

通用降壓DC-DC轉換器拓撲

接下來介紹降壓DC-DC轉換器的拓撲結構和控制環(huán)路。

圖3.降壓DC-DC模塊

圖3顯示了典型降壓轉換器原理圖，其簡化為一個交流小信號電路。它包括三級：斬波調制器、輸出LC濾波器和補償網絡。每一級都有自己的轉換函數。這三級構成整個控制環(huán)路。比較器和半橋構成斬波調制器。比較器輸入信號來自振蕩器和補償網絡。補償網絡在 閉環(huán)反饋路徑中實現。調制器的交流小信號增益為

其中VPP為振蕩器三角波的峰峰值電壓。VCC為半橋的輸入功率。在控制理論中，小信號增益既是轉換函數?？梢钥吹?，調制器沒有相移，只有幅度增益。LC濾波器轉換函數為

從信息娛樂系統(tǒng)到電池供電的工業(yè)物聯網(IIoT)傳感器，電源轉換是許多應用中的基本需求。通常DC/DC 和 AC/DC 電源轉換有幾種基本的開關模式拓撲架構，具體采用那種類型取決于所需的電壓水平和所需的功率。本文將討論電源轉換的基本概念，并展示采用分立和基于模塊設計的流行拓撲架構，還將介紹與隔離和穩(wěn)壓相關的重要因素。

電源轉換無處不在

在您所使用的大多數技術產品中都會使用電源轉換功能。以智能手機為例，它可能包含標稱輸出電壓為3.7V 的鋰電池，而手機的許多 IC 和相關功能卻需要在不同的電壓下運行，最常用的是 1.8V、3.3V 或 5.0V。電源轉換功能需要采用 3.7V電池， 并將電壓轉換為適當的電壓電平，可能是高于，也可能是低于電池的標稱輸出電壓。

另一個類似的例子是不起眼但卻數量巨大的USB移動電源，這種設備能夠幫助我們在旅途中為電子產品充電。同樣，它使用單個鋰電池提供的3.7V電壓，經過DC/DC 轉換器升高電壓以提供標準 USB 的5V輸出。

您的智能揚聲器、電視、筆記本電腦、家用電器都需要將電源電壓轉換為內部電路能夠使用的電平。

AC/DC 和 DC/DC 轉換包括兩種截然不同的技術;線性和開關技術。過去，線性方法廣泛用于電源供電設備，但由于需要大型變壓器和濾波電容器(smoothing capacitor)等笨重組件，其應用因而受到影響。雖然目前線性穩(wěn)壓器仍在一些專業(yè)的 DC/DC 轉換中使用，但當今大多數應用都在采用開關穩(wěn)壓器方法。

基于開關的 DC/DC 轉換方法依賴于在電感器或電容器中存儲能量。與線性方法不同，開關穩(wěn)壓器可以提供高于或低于輸入電壓的輸出電壓。圖 1 突出顯示了開關模式 DC/DC 轉換器的基本概念。

一個PWM 信號被施加到半導體器件作為開關驅動信號。PWM 輸入的占空比(標記空間比)和頻率會直接影響轉換效率、負載穩(wěn)壓和輸出電壓。本質上看，PWM 和開關半導體期間將形成一個電荷泵電路，以便在導通周期間將能量存儲在電感器或電容器中。該能量在 PWM 信號關斷期間被釋放和整流，輸出電壓的調節(jié)應用于 PWM 信號。除了電容器之外，還可以使用變壓器作為電感元件來實現輸入到輸出的隔離。

多年來，有幾種 DC/DC 轉換器拓撲架構已經變得很流行，這里我們進行簡要說明。

流行的 DC/DC 轉換器拓撲架構

降壓轉換器

異步降壓轉換器拓撲架構是將輸入電壓轉換為較低的輸出電壓，例如可將5VDC降低至3.3VDC。圖2所示為這樣一種電路的簡單說明。

在圖2中，SW1通常是采用PWM信號驅動的晶體管，SW2是二極管。當 SW1 閉合或接通時，電流流過電感器儲存能量。當SW1為關斷時，能量隨著流過 SW2二極管的電流而釋放，并提供輸出電壓。

降壓轉換器的輸出電壓取決于開關 PWM 信號的占空比，如圖 3 所示。

在同步降壓拓撲架構中，二極管被另一個開關元件所替代，通常是采用 FET，它由異相開關信號驅動。 FET 通常具有較低的正向電阻，從而能夠減少損耗。

升壓轉換器

顧名思義，在升壓轉換器中，輸出電壓高于輸入電壓。高多少取決于各種因素，但對于大多數實際來說，輸出電壓最大值高達輸入電壓的五倍，而高達三倍對于實現良好的輸出電壓調節(jié)則更為可行，請參見圖 4。

與圖 2 所示的降壓轉換器配置相比，開關晶體管 S1、電感器 L1 和二極管 D1(在圖 1 中為開關)放在略有不同的位置。當 S1 導通時，能量存儲在 L1 中，而當 S1 關閉時，能量被添加到已經跨過輸入電容器的輸入電壓，并傳遞到輸出電容器。

降壓和升壓轉換器均使用很少的組件，這種方法可確保它們具有更高能效，通常高達97%。

上面強調的降壓和升壓轉換器拓撲都不是隔離式，這意味著任何輸入電壓都可能出現在輸出端。如果 DC/DC 轉換器由 AC 線路電源供電，則在故障情況下可能會導致輸出端出現 AC 線路電壓，從而產生潛在的嚴重后果。醫(yī)療和保健等許多應用都需要輸入和輸出之間的進行電隔離。例如，對于接地連接不常見的情況，在開關穩(wěn)壓器中實現電隔離的一種方法是使用變壓器;隔離式反激式轉換器即是這樣一個例證，參見圖 5。

隔離式反激轉換器

在隔離式反激轉換器中，變壓器既是儲能電感器，又提供電隔離。這種拓撲架構可能是在所有DC/DC 轉換器中最簡單的，具有最少數量的組件，但通常僅限于低功率應用 (< 50 W) 和那些可以承受相對較高紋波電流的應用。變壓器會引入初級到次級的損耗，因此大多數反激式轉換器都難以實現高于 90% 的效率。然而，與降壓和升壓拓撲架構不同，使用變壓器能夠通過增加或減少匝數比來實現更寬范圍的輸出電壓。此外，增加的次級繞組可用于提供多路輸出電壓。

推挽式、半橋和全橋轉換器

推挽式、半橋和全橋轉換器都是目前在使用的其它一些隔離式開關拓撲架構示例。推挽式架構采用兩個開關器件，并在它們之間共享電流，適合更高功率的應用。這種拓撲架構使用分離式中心抽頭初級和次級繞組，需要更昂貴的變壓器。半橋和全橋拓撲架構類似于推挽，但只需要一個初級繞組。半橋使用兩個開關器件，全橋使用四個，請參見圖 5。

輸出調節(jié)

DC/DC 轉換器設計除了需要基于特定拓撲架構之外，如何穩(wěn)定輸出電壓也是一個重要考慮因素。在所有負載條件下，實現對輸出的嚴格調節(jié)對于具有快速變化動態(tài)計算負載的處理器來說尤其重要，必須快速準確地將輸出電壓反饋到 PWM 開關功能以適當調節(jié)占空比。今天，大多數 DC/DC 轉換器控制 IC 都包含此項功能，在非隔離拓撲架構中可輕松實現這一任務。

但是，實現輸入到輸出的隔離需要額外的組件，從而增加了 BOM 成本，比較受歡迎的隔離反饋方法包括使用附加的變壓器或光耦合器。對額外組件的需求不僅會增加BOM成本，還會增大 PCB 空間要求。在當今空間受限的設計中，需要將 PCB 空間保持在最低限度。此外，除了 BOM 成本外，設計中使用的組件數量越多，組件采購和物流可能遇到的挑戰(zhàn)就越復雜。使用更多組件也會影響最終產品的可靠性。