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在零负载情况下管理同步双控制器中产生的电流
Current Brings from Management of Synchrocontroller Under Zero-load

安森美半导体 Brant Johnson


一个双同步控制器在空载时会产生负电流。如果管理不当,它会把电流推回电源,造成过压,在某些情况下会使电源关断。特别是在启动时,可能会在相当长的时间内没有负载电流或负载电流很小。因此对于控制系统的设计,重要的是使在这个阶段的负电流的影响最小化,并且可被系统承受。

为便于理解这一情况,图1中画出了两个典型的控制器并重新画出其电源:

图 1(略)

双控制器的1.5V输出显示在中间。上图中的电源显示它们形成了一个H 桥。正常工作时,双控制器对角线上的FET在每个时钟周期导通。为简单起见,图1中的电路共用一个5.0 V的 FET电源,没有外接负载,且电感相等。图2显示了此电路的两个开关节点和在零负载情况下流进L1 和 L2 的电流。

图2 (略)

图2表明,时钟频率大约为150 KHz,对应的周期是6.66 s。控制器脉冲宽度反映了输入和输出电压的比例。即:

PW/(周期) = Vout/Vin

或 PW = 1.5/5.0 倍 6.66 s

或 PW=2 s

如果输入电压不同,针对公共周期两边简单地调整各自的脉冲宽度,以满足他们各自的输出和输入电压比例。通道1 电压下降到3.3 V的情况如下所示。

和其他PWM 控制器一样,其固有问题是如果空载,在通道1导通时间内建立的L1中的电流 有一条通过L2到地的反向通道。而在断开时间,通道1上的稳定输出电压有一条到地的路径 。Q2 和 Q4 在半个周期内为电流提供了一条通过L1 和 L2 的路径,在另半个时钟周期内,Q2 和 Q1提供了一条相似的路径。另一种理解的方法是,在通道1设置成合适的 PWM 脉冲宽度时,Q4成为吸收无用电流的负载。这个电流在Q4断开之前为Vout/L2倍。 上面例子中的寄生电流率为1.5/1.5 H 或 1A/ s。与此相仿,当通道2设置了输出电压适用的占空比时,Q1导通并且产生一个1A/ s的寄生负载。

需要注意的是这些寄生电流的方向是错误的,它减小了需要流入负载的电流。很明显,这对低电流效率将产生不利的影响。
这种电路布局的另一个不利影响是当下部FET 在一个相周期开始时断开,电感电流通过上部FET回流到系统的电源内。这会导致过压和系统故障。从直流的角度看,只需要50 mA 负电流就能把12V和100 mA传输到一个ATX电源的5V输出。

这些电流的数量值效应可以在示波器图形中清楚的看到。从通道2下部FET 断开起,通道2负电流通过通道2的上部FET放电,直到放电电流为零。即图2显示了电流在1 s内从-2.72A的峰值电流达到零。这相当于在6.66 s周期时间中的1 s内存在1.36A的平均电流。因此一个周期中的平均电流 为1.36/6.66即-206mA。

在相同的时间段内,2.16 Amps的稍低峰值电流的电源产生一个正电流,1 s的平均电流是1.08A,一个周期的平均电流为1.08/6.66即164mA。这两个电流的代数和为-42 mA,是流回5.0 V电源的净平均电流。直流标准测量确认了-47 mA这个数字。因为ATX 电源可以承受-100 mA。
表1显示了当负载从零开始增加时L1和L2中的平均电流 。零负载时,两个电流数值相等,方向相反。随着负载电流增加,通道2负电流下降,直到大约800mA,负电流达到零,然后随着负载的增加变成正值。 因此,一个最小负载为800 mA的应用会使反向电流为零,并从通道 1控制器提供所有电流开始。

表1(略)

表2(略)

通道1 侧的电压减小到3.3 V时,反映较低输入到输出电压的通道 1 在零负载时的脉冲宽度增加到大约3.25 s。电感电流在这个阶段的正上升率为: (3.3-1.50)/1.5 = 1.2A/ s,对应于电感L1上施加较低电压。因为输出电压依然为1.5V,而且通道2侧依然为5.0 V,所以L2电感电流和脉冲宽度保持相同的数值。情况如图3所示。

图3 (略)

在这种情况下,通道1 的导通时间越长, L2中的负电流积累得也越高。此电流流回通道2 电源,并且部分由通道2 在2 s 导通时间中流出的正电流补偿。重新画出下图所示的示波器图形就更容易看出电流。图4中所画的电流斜率为其理论正确值,L1 的峰值电流是2.2 A。

这里,主通道的正电流斜率设置为3.3 V - 1.5 V / 1.48 H = 1.22 A/ s ,而负斜率设置为1.5 V/1.48 H = 1.01 A/ s。在3.0 s的导通时间中,主通道电流在1.2 s 中达到零,并在 3.0 s导通时间的余下时间中达到 2.2 A。从那点开始,L1电感电流下降,直到下一个时钟周期的开始。流过通道1电感L1的净正电流就是平均正电流和负电流在一个周期内的代数和,即:

I平均L1 = I平均正电流- I平均负电流



I平均L1 = 2.2/2 (4.0/6.66) - 1.22/2 (2.66/6.66) = 0.418

图 4(略)

流回通道2电源的净电流,包括 L1 中流回通道2 电流的平均正电流,减去通道2导通时产生的平均电流 。后一个电流由下式给出:

I in L2 = (5.0 - 1.5/1.48) (2/6.66) 1/2 或 2.36 A/ s (占空比) 1/2

I L2 = 355 mA

流进第二个控制器的电源的总电流就是反向电流加上正电流的和,即:

I supply = - 418 + 355 = -63 mA

测得电流是 -80 mA.

表2和表1显示了相同的一组电流,除了控制器的通道1侧是 3.3V。这就把零电流从 352 mA 增加到大约410 mA。零负载电流的增加反映了通道1侧控制器的零电流脉冲宽度从 2.14 s增加到 3.0 s。相应的,把通道2侧电流减为零所需的负载从 810mA增加到1.2 A。

通道1侧控制器的电流斜率是1.22 A/ s,通道2侧控制器的电流斜率是2.33 A/ s。电流随着负载的平均变化和这些斜率成正比。这些斜率的比例以及电流随着负载的变化是1.91。这对应于控制器从通道2侧每取得1A电流,就需要从通道1侧吸取1.91A的电流。因此为了把控制器通道2侧的负电流从410mA减为零,负载必须从控制器通道2侧吸收410mA。为了实现这个目标,控制器通道1侧必须提供一个电流,它的值是: I 通道1 = 1.91 410 = 783 mA ,

因此把负电流变为零需从控制器吸收的总负载为:

I通道1 + 410 ma 自通道2 = 1193 mA

这在数量上符合上表所示1200 mA 的L1 电流值。

总而言之,这个分析提供了一种计算零负载情况下流进双控制器的负电流的方法。它也提供了计算最小负载以避免负电流的方法。这也使系统能够在零电流最坏情况下保持在电源的负电流容量之内。

         
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