如何获得一个等于Vcsp_valley的CSN电压？

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冯虎虔

2021-3-12 14:15:52

在 DCAP2 控制模式下，由于 DCM 模式下的纹波值较大，看起来输出电压精度似乎没有获得更好的改善，然而这已经很好了。DCAP3 在 DCAP2 的基础上再一次做了改进，就是借鉴了 DCM 模式减小误差的方法。如果在 CCM 模式下，Vcsn 的电压也等于 Vcsp_valley，那么 CCM 模式下的误差在理论上就可以被消除。
如何获得一个等于 Vcsp_valley 的 CSN 电压呢？且看下图。

当笔者第一眼看到这个控制框图的时候，也是一脸懵逼。这 DCAP3 和 DCAP2 有毛区别？即便是发现红框里的 S&H，笔者表示自己仍然在一头雾水之中。但采样保持的目的应该就是获得一个等于 CSP 谷值电压的 CSN 电压。细心的读者会发现，在 Part8 中讨论 MPS 的专利时，发明人巧妙地利用了电容和开关实现了谷底电流采样保持。TI DCAP3 采样保持电路如下图所示，它同样地采用了电容和开关实现 CSP 谷底电压地采样保持。

它在 DCAP2 中 CSP 和 CSN 之间插入了采样保持电路，采样保持电路部分使用了 5 个开关，和两只采样保持电容 C1、C2，在采样保持电路的前后输入输出分别增加了缓冲器。设电容 C1 和 C2 的电压为 VC1 和 VC2，其中φ1 和φ2 为互补导通关系，φ3 在 DCM 模式下才会用到。
当设计的变换器处在 CCM 模式下，开关φ1 和φ2 的导通时序和 Vcsp、Vcsn 的波形如下图左侧所示。
CCM 模式具体分析如下：
当φ1 开通时，（注意φ1 的开通时间等于一个开关周期），φ2 关闭。电容 C2 两端的电压 VC2 经 Buffer 接入到 Sampled CSP 结点；而电容 C1 两端的电压 VC1 接入到 CSP 结点上，跟随 CSP 结点电压变化，当当前这一周期结束时 CSP 结点电压到达谷值。当φ2 开通时，电容 C1 两端的电压经过 Buffer 接入到 Sampled CSP 结点，由于电容 C1 两端电压不可突变，仍然为 CSP 结点电压谷值，因此在φ2 开通的整个阶段中，VC1 上的电压几乎等于 CS 结点电压谷值。而电容 C2 两端电压 VC2 此时跟随 CSP 结点电压变化。在接下来的开关周期中，φ1 再次开通，电容 C2 两端电压 VC2 采样并保持了 CSP 结点谷值电压，从而在 Sampled CSP 结点保持住了 CSP 结点电压谷值。在经过一次 RC 低通滤波，在结点 CSN_NEW 处电压近乎是 CSP 结点电压谷值 Vcsp_valley。

当φ1 和φ2 交替开通，最终在 Sampled CSP 结点处获得的都是一个稳定的 CSP 结点的谷值电压 Vcsp_valley。再一次回顾环路比较器翻转的条件

所以通过采样保持电路，从理论上几乎消除了 CCM 模式下的输出电压的误差，从而提高了输出电压精度。
同样需要注意的是，DCM 模式下，需要考虑上下管同时关闭的状态，如图右侧所示。φ1 和φ2 仍然交替互补开通，且开通时间均为一个开关周期，和 CCM 模式下的控制时序保持一致。当电感电流过零 ZCD 检测完成时，φ3 开启，当开关周期结束时φ3 关闭。 DCM 模式的具体分析如下：
当φ1 开通，φ2 关闭时，Sampled CSP 结点电压等于电容 C2 两端电压 VC2。电容 C1 两端电压 VC1 则跟随 CSP 结点电压变化。当电感电流下降至 0 时，φ3 开通，Sampled CSP 结点电压则通过电阻 R1 和 Buffer 连接到 CSP。尽管此时φ1 仍然开通，VC2 电容上的电压只能被看作一个弱电压源，因此 Sampled CSP 电压几乎跟随来自 R1 和 Buffer 的 CSP 电压。当开关周期结束时，φ3 关闭，如果忽略输出电容独立为负载供电阶段的 CSP 电压降，则 Sampled CSP 电压采样保持了 CSP 的谷值。当φ2 开通，φ1 关闭时，Sampled CSP 结点电压等于电容 C1 两端电压 VC1，电容 C2 两端电压 VC2 则跟随 CSP 结点电压变化，情况也是一样的，在此不多赘述。
笔者搭建了 DCAP2 和 DCAP3 的仿真模型，并对两者的输出电压进行了对比。从下图

可以看出 DCAP3 的方式在 CCM 模式下时，确实提高了一定程度的输出电压精度。而在 DCM 模式下不是特别明显。这里大家可以想象一下，DCM 模式下 CSP 电压的交流电压纹波不是理想三角波，在输出电容为负载供电的阶段，它和输出电压一样会有一定程度的下降。因此，没有图中理想情况下 CSN 或者 CSN_NEW 结点电压一直保持稳定的直流，并且 DCM 模式下的输出电压纹波较大，这让大家看起来 DCM 模式下看起来精度差很多。

当φ1 和φ2 交替开通，最终在 Sampled CSP 结点处获得的都是一个稳定的 CSP 结点的谷值电压 Vcsp_valley。再一次回顾环路比较器翻转的条件

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王倩

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