H橋降壓-升壓電路中的交替控制與頻寬優化

作者：ADI 應用工程師Mark Derhake

摘要

本文將探討採用交替式降壓-升壓控制的優勢，並深入剖析影響降壓-升壓架構瞬態響應的控制侷限性。此外，文中將針對各工作區域提供優化瞬態性能的策略。

引言

H橋降壓-升壓積體電路(IC)通常用於即使系統電池電壓降至較低水準時仍需要恆定電壓或電流源的應用中。當需要單級轉換器且輸出電壓可高於或低於輸入電壓時，通常會使用此類IC。此外，此類IC可用於LED應用的電流源，進而將典型的先升壓後降壓的設計簡化為單級設計。考量耦合電感的成本問題，相較於其他降壓-升壓拓撲（如單端初級電感轉換器(SEPIC)），此類IC可能更受青睞。

顧名思義，H橋降壓-升壓架構是將降壓電路和升壓電路組合成單一轉換器的複合結構。其中需要用到四個開關，這些開關透過檢測輸出與輸入之間的比率來確定工作模式，進而調節輸出。

H橋降壓-升壓轉換器透過在多種模式中切換來工作。當輸入電壓遠高於輸出電壓時，電路將透過切換開關1和開關2以純降壓模式運行（見圖1）。當輸入電壓遠低於輸出電壓時，電路將透過切換開關3和開關4以純升壓模式運行（見圖1）。當輸入電壓接近輸出電壓時，電路將以降壓-升壓模式運行。在此種模式下，有幾種方法可以控制四個開關以實現適當的調節。

工作模式

為了確定工作模式，電路必須感測輸出與輸入的比率。然後將該比率與內部設定值進行比較，以確定工作模式。通常，這些值會設定一定的滯後量，以確保在輸入電壓上升和下降時，不同工作模式之間能夠平滑轉換。

降壓區域

當降壓模式的內部比較器因輸出電壓顯著低於輸入電壓而觸發時，電路將作為純降壓轉換器運行。要在降壓區域工作，開關3必須始終閉合，開關4必須始終斷開。隨後，開關1和開關2可像在普通強制脈寬調變(FPWM)降壓轉換器中換LX1（見圖2）。

升壓區域

當升壓模式的內部比較器因輸出電壓顯著高於輸入電壓而觸發時，電路將作為純升壓轉換器運行。當要在升壓區域工作時，開關1必須始終閉合，而開關2必須始終斷開。隨後，開關3和開關4可像在普通強制脈寬調變(FPWM)升壓轉換器中切換LX2（見圖3）。

降壓-升壓區域

當輸出電壓接近輸入電壓（略高或略低）時，電路將在降壓-升壓區域工作。

降壓-升壓交替控制

透過降壓-升壓交替控制，電路將透過在降壓側和升壓側之間交替切換來調節輸出。具體而言，電路初始時將運行降壓開關，而工作週期由補償電壓設定。降壓開關會在一個完整的開關週期內工作，之後電路將切換至升壓側。一旦降壓側完成一個完整週期，升壓側將開始切換，其工作週期同樣由補償電壓控制。這種工作方式允許H橋的兩側根據需要調整每個降壓和升壓脈衝，以達到調節輸出的目的。此外，由於H橋的每一半僅在另一側完成切換後才會動作，因此工作頻率實際上會減半（見圖4）。

這種控制方法具有諸多優勢。首先是效率方面，由於在降壓-升壓區域開關頻率減半，開關損耗會隨之減少。在電磁干擾(EMI)方面也有類似的改善效果。儘管開關頻率減半，但其始終保持一致，進而簡化了EMI問題。另外，此種方法還能改善瞬態響應。這是因為當輸出略高於輸入時，有效升壓工作週期會更低。因此，在此種控制方案中，降壓-升壓區域的右半平面零點(RHPZ)可保持在更高頻率。

要瞭解電路在降壓-升壓區域中的調節方式，不妨考慮輸入略高於輸出的情況。在降壓-升壓週期的一開始，透過閉合開關1和3來控制降壓側，這會使得電感電流以(V_IN – V_OUT)/L1的斜率上升至峰值。一旦降壓導通時間結束，控制迴路將斷開開關1並閉合開關2。在降壓週期的關斷時間內，電感電流將以 V_out/L1的斜率下降至穀值，進而確定電感的峰對峰值漣波。當降壓側完成一個完整的開關週期後，邏輯電路將切換至升壓側。升壓側首先會斷開開關2，並保持開關1和3閉合，此一動作對應升壓的關斷時間。此時電感電流將以與降壓導通時間相同的方式上升，電流斜率為((V_IN – V_OUT)/L1。當升壓關斷時間結束後，控制迴路將透過斷開開關3並閉合開關4來設定升壓導通時間，這會使得電感電流以 V_IN/L1的斜率重新上升至降壓導通時間開始時的水準（見圖5）。

接下來，考慮 V_IN 略低於V_OUT的情況。在此種情況下，每個開關週期保持不變。兩種情況的主要區別在於：當V_IN > V_OUT時，電感電流漣波由降壓關斷時間設定；而當V_IN < V_OUT時，電感電流漣波則由升壓導通時間設定。在降壓-升壓區域中，電感電流漣波還會翻倍，這是因為H橋的降壓側和升壓側的工作頻率減半。如圖6所示，電感電流僅在一個完整的降壓和升壓週期完成後才會完成一個完整週期。

效率優勢

在降壓-升壓電路中，當電路進入降壓-升壓區域時，整體功率級效率會下降。而採用交替控制時，降壓-升壓區域的效率可得到提升，這得益於降壓-升壓區域內有效頻率的降低。例如，在降壓工作模式下，若工作頻率為2.1 MHz，則開關1和開關2每476 ns完成一次開關動作。當電路在升壓區域工作時，開關3和開關4的工作邏輯相同。而在降壓-升壓區域工作時，此一機制仍然成立，只是此時開關會在兩側之間交替切換。這表示即使在降壓-升壓區域，開關動作的次數仍然保持不變，進而使這種控制方法的效率更卓越。

瞬態響應優勢

接下來我們來看一下輸出略高於輸入的情況。此時電路處於降壓-升壓區域。由於電路的升壓作用強於降壓作用，升壓模式的RHPZ對電路的影響將更為顯著。而採用降壓-升壓交替控制時，這種影響將會減弱，因為在升壓區域，電感電流能夠以更長的時間斜坡上升。這也表示輸入電壓的變化對輸出的影響更小，原因在於電感電流可透過更長的斜坡上升時間，更快地補償輸入電壓的波動。

降壓-升壓電路的瞬態優化

在對降壓-升壓積體電路進行補償時，交越頻率的選擇必須考慮最壞情況下的負載、輸入電壓、輸出電容值和電感值。由於降壓-升壓積體電路可在升壓區域工作，最壞情況下的V_IN可能會使電路進入純升壓模式。當電路工作在純升壓模式時，會受到RHPZ的額外限制。由於RHPZ與電感充電和向輸出端傳輸能量之間的時間延遲相關，因此必須對迴路進行補償，使其頻率為該零點頻率的1/3至1/5。正因如此，即便在無RHPZ的降壓區域有更大頻寬可用，降壓-升壓電路的瞬態響應仍會受到限制。通常，為了補償控制迴路，會使用由補償電阻Rcomp1和補償電容Ccomp組成的阻容(RC)補償網路，以提供合適的相位和增益。為了優化升壓和降壓區域的瞬態響應，可在RC補償網路中額外增加一個電阻(Rcomp2)，並在Rcomp2兩端並聯一個開關，使其根據電路工作區域來接入或斷開補償網路。當電路工作在升壓模式時，開關將Rcomp2短路，進而降低交越頻率；當電路進入降壓-升壓或降壓區域時，開關斷開，Rcomp2有助於進一步提升增益和相位。這將產生提高交越頻率的效果。這種工作方式可使電路在升壓區域具有夠低的交越頻率，同時在降壓區域具有夠高的交越頻率（見圖7）。

控制迴路（平均電流模式控制）

降壓-升壓電路的控制迴路實現方式有許多種，其中最受關注的是平均電流模式控制，這種模式控制具備其他方式所不具備的諸多優勢。

抗雜訊能力

在平均電流模式控制中，電感電流會被感測並與補償位準進行比較，隨後輸入至包含RC補償網路的內部迴路誤差放大器。該積分器為內環提供高增益，經補償的內部迴路訊號再與鋸齒波比較以生成工作週期。這種設計具備更強的抗噪能力，因為迴路調節的是平均電流，電感波形中的任何電流尖峰都會被濾除。以峰值或穀值電流模式控制為例，當感測到的電感電流相對於峰值或谷值較小時，若感測電流上的任何尖峰未經過前沿遮蔽或濾波處理，可能會導致採樣錯誤，進而削弱抗雜訊能力。即便採用濾波措施，在低負載電流下，斜率補償量相對於感測訊號可能過大，也會造成調節偏差增大。

最小導通時間和最小關斷時間

由於平均電流模式控制在內環電流迴路中採用積分器，並將鋸齒波輸入至比較器以生成工作週期，其最小導通時間和最小關斷時間顯著小於峰值電流模式或穀值電流模式。後兩種模式因需配置前沿遮蔽等電路，會導致最小導通/關斷時間更長。

無需斜率補償

平均電流模式控制無需斜率補償，由此簡化了最大電流限制的設計，因為其不再受附加斜率的影響。由於無需斜率補償，相較於峰值電流模式，平均電流模式在不連續導通模式(DCM)下也具有更良好的性能，而峰值電流模式中斜率補償量可能在感測訊號中占比較大。

並聯操作

多轉換器並聯運行時，平均電流模式控制可實現最佳均流效果。這是因為外部迴路會設定各轉換器的平均電流，而峰值或穀值電流模式由於各轉換器電感存在細微差異，則會導致電流出現偏差。

設計示例

此設計實例的目標是設計一個電路，其V_IN範圍為6 V至18 V，V_OUT為13 V，負載為2.5 A，需儘量減少輸出電容，而且要使V_OUTpp在±5%以內。若要將輸出電容最小化，可先選擇2.1 MHz的開關頻率。在2.1 MHz頻率下，電感值通常選用1 µH。V_OUT限值允許650 mV的瞬態波動。為估算所需的輸出電容，首先需考慮最壞情況的V_IN，這種情況會使電路處於升壓區域。在升壓區域中，RHPZ可透過公式1計算。

B透過求解RHPZ並將其除以5，可將升壓區域的交越頻率設定為35 kHz。輸出電容可透過公式2進行估算。

透過求解該公式，估算出輸出電容為17.5 µF。將該值向上取整為22 µF。在選定元件後，可從升壓區域開始設計補償網路，以實現35 kHz的交越頻率。選定Rcomp和Ccomp後，就必須針對18 V_IN的降壓區域對電路進行補償。由於該區域不存在RHPZ，因此將交越頻率選為100 kHz，隨後可調節Rcomp2來實現此一交越頻率。一切就緒後，需檢查每種情況下的瞬態響應。由於增加了Rcomp2，降壓區域和降壓-升壓區域中的瞬態響應得以改善。參見圖8、圖9和圖10。

結語

為優化降壓-升壓電路，可採用降壓-升壓交替控制。相較於傳統控制方法，交替控制具有諸多優勢，包括改善瞬態響應、提升效率、簡化設計及降低電磁干擾(EMI)等。此外，透過增加補償電阻Rcomp2來拓展控制迴路頻寬，也可進一步優化降壓-升壓電路的瞬態響應性能。