高頻開關電源控制電路的時間精度

除了功率元件和拓撲，控制電路也是開關電源的重要組成部分。電源工作頻率提高，即意味著電源控制部分對時間的控制精度也要提高——PWM類拓撲要更精確的控制占空比寬度，調頻類拓撲要更精確的控制頻率，才能保證電源能夠穩定的工作。

按當前電源控制電路的發展現狀，較少見用分離元件或通用MCU進行電源控制，而且用分離元件或通用MCU也很難做出高頻率的控制電路。所以這里只討論專用模擬IC和專用DSC在頻率提高時可能遇到的問題。

對PWM類的模擬電源控制芯片，無論是電流型控制還是電壓型控制，基本原理就是每周期用一個固定斜率或可調斜率的振蕩電壓與受環路控制的反饋電壓同時送入一個模擬比較器，比較兩個電壓的大小來調制脈沖寬度；對LLC等調頻的IC，基本原理的調試方式也是類似的。

當我們觀察一個工作頻率只有100kHz的模擬電源芯片的穩定工作狀態，是能看到可達百百納秒級的占空比寬度或工作頻率的波動（這里不是指為改善EMC而刻意做的抖頻）。至于抖動的原因，一是環路確實需要通過對占空比或工作頻率的調節來穩定電源的輸出電壓，二是來自電源工作所處的復雜環境中各種來源的噪聲。

當工作頻率較低時，這個數百納秒的占空比（頻率）波動對輸出電壓的影響基本是可以忽略的，頻率高的時候就會影響電源的穩定工作：200ns*100kHz=2%，200ns*500kHz=10%。這個問題只能改善，是無法徹底解決的。而開關電源中的電磁環境又極其復雜，模擬電源IC在試圖提高工作頻率時，應該會在這方面有一些的挑戰。

對電源專用的數字控制器，目前市場上可以見到的有兩種：ARM內核+CLA+PWM外設，和DSP內核+PWM外設。無論哪一種，對占空比（頻率）的控制精度都取決于PWM外設的時鐘。

對第一種ARM內核的芯片，PWM外設使用獨立的時鐘，目前有250MHz的量產型號，PWM外設的基本時間分辨精度（可以認為是占空比或工作周期的最小調節步進）是4ns；對第二種DSP內核，PWM外設的時鐘與CPU時鐘一致，目前有幾十MHz到幾百MHz的量產型號，基本的時間分辨率約幾ns到20ns。在工作頻率幾十到幾百kHz時，這樣的時間控制精度是足夠的，但是在工作頻率提高到接近或超過1MHz時，這樣的時間分辨精度就略顯不足。

實際無論哪一種PWM外設，芯片廠家還會有一些特殊的提高PWM外設時間控制精度的方法，會將時間控制精度提高到200ps左右。例如某工作于1MHz的電源產品使用了TI的UCD3138，其輸出PWM的最小分辨率為250ps：

進一步將數字電源控制芯片的時間控制精度提高一定會遇到一些困難。而且，芯片內部的結構會令高精度PWM的配置有不少的限制（例如TI的C2000系列DSP的相關功能必須要進行校準）。對高頻開關電源的設計，這顯然是一個明顯的挑戰：數字電源芯片的時間控制精度有限。

高頻開關電源控制電路的動態性能

眾所周知，隨著電源工作頻率的提高，電源設計所使用的電感、電容可以變小。而電感、電容減小，可能會導致兩方面的問題：電源動態特性變差，和對電源保護功能的要求提高。

當電源的輸出濾波電容容量減小時，無法為負載電流的波動提供足夠的儲能。那么當負載電流波動時，輸出電壓的波動就會變大。比如，下圖是兩個電源的環路bode圖和在同樣動態負載時輸出電壓的波動，可見兩個電源的環路bode圖有幾乎一樣的中低頻段增益和近似一樣的增益穿越頻率，但是同樣負載電流波動導致的輸出電壓波動卻差異很大——實際上，差異來自兩個電源的輸出濾波電容不一樣，兩者的輸出濾波電容容量相差了十倍：

那么，為了達到同樣的負載動態特性，高頻開關電源對電源反饋環路的性能提出了更高的要求。

高頻開關電源控制電路的快速保護

類似的，開關電源中功率電感感量過小，也有不利影響，其中之一就是對電源中過流保護電路的響應速度的要求會顯著提高。

為保護電源產品在其輸出過載或短路時不至于損壞，電源往往會對電流做檢測和保護：當電源輸出電流過高時，保護電路將電源的輸出關閉以限制電流的上升。

顯然，保護電路是需要一定的反應時間的——一方面是保護電路的固有響應速度不高，另一方面為避免保護電路誤動作也會犧牲一些響應速度。反應時間導致了保護動作的延遲。那么，在電源發生輸出短路時，在保護電路的延遲時間內，電流會繼續上升，導致實際的電流保護點具有正偏差。對電感來說，有

式中VL為電感工作電壓，L為電感感量，Tdelay為保護延遲時間。顯然，當電感工作電壓、保護電路的延遲時間固定時，過流保護的偏差值與電感量負相關。如果過流保護的偏差過大，會增加電源的損壞風險。

那么，當電源的工作頻率提高、使用了較小的電感時，需要適當改善電源保護電路的響應速度——高頻電源對保護電路的要求往往也是更高的。

（下節預告：高頻開關電源實例介紹）