作者：刘松、丁宇
0、前言
电子系统的主控制板通常需要一些降压Buck变换器给CPU、存储器等芯片供电，降压Buck变换器的输出电感工作在单端方式，从电流模式的工作特点，电感的极性对于系统反馈环路和系统的稳定性应该没有影响，这也是许多电源研发工程师的普通认识，但是在一些应用条件下，当输出电压低占空比小的时候，系统的稳定性却受到电感极性的影响。
1、问题的提出
测试的电路为电流模式的降压Buck变换器压，输入电压Vin=12V，输出Vo=1.1V，电流Io=3A。测试条件：C1=22uF，C2=32uF，R1=3.9K，R2=10.2K，R3=10K，Rc=20K，Cc=5.6nF，Cff=1nF，L=3.6uH，fs=500KHz，，如图1所示。
图1：测试电路
电感表面其中的一个管脚标识有一个圆点，它的含义是线圈绕组的起始点和极性，见图2所示。先将这个圆点对应的管脚连接到输出Vo，测试相关的电压波形和相位裕量。然后将电感转180度，将这个圆点对应的管脚连接到U1的LX管脚，测试相关的电压波形和相位裕量。
电感起始点连接Vo的测试结果分别如图2(a)和图1 (b)所示，电感起始点连接LX的测试结果分别如图1 (c)和图1 (d)所示。
(a)：电感起始点连接Vo的波形
(b)：电感起始点连接Vo的环路测试
(c)：电感起始点连接LX的波形
(d)：电感起始点连接LX的环路测试
图2：测试波形
当电感起始点连接Vo时，LX的波形出现大小波，系统产生明显的振荡，网络分析仪测量不到正确的结果。当电感起始点连接LX时，LX的波形工作正常，网络分析仪测量为：带宽44.55KHz，相位裕量33.82度。
图3：电感的极性
2、分析讨论
为了分析输出电压是否也受到电感极性的影响，测试时将输出电压1.1V提高到3.3V。当输出电压为3.3V时，电感的极性对于系统的稳定性没有影响，这表明：只有在输出电压较低、占空比小的时候，电感的极性对于系统的稳定性才有影响。
对于电流模式的工作的电源芯片，在一些特定的条件下，可以从正常工作的电流模式转到电压模式。当占空小、输出轻载或无负载时以及使用非常大的电感时，由于检测到的电流信号非常小或最小导通时间的限制，系统会从电流模式进入电压模式。
因此从上面的分析，当电流模式的电源芯片将12V转为1.1V时，占空比低于10%，极有可能工作在电流模式和电压模式的临界状态。由于电感的极性影响空间磁场的方向，那么这个磁场在系统的反馈环路中就有可能产生耦合的电流或电压信号，从而影响系统工作状态。
如果它在系统的反馈环产生更强的正向电流检测信号，那么系统就会一直工作在起始的电流模式；如果它在系统的反馈环产生反向的电流检测信号，就会进一步的减弱电流检测信号，系统更趋向于从电流模式转向电压模式。
系统通常基于电流模式的特性设计反馈环，当系统在二种模式间切换来回工作时，系统就可能产生不稳定性的问题。
通常最容易受到干扰的是系统反馈环路中阻抗比较大的回路，由电流模式电源芯片的特性，COMP脚的阻抗比较大，因此空间磁场最有可能在这里产生干扰，引入电流信号。
图4：电感的耦合回路
考虑电感和COMP管脚组成的耦合回路，如图4所示，电感绕组的起始点连接到LX管脚。由图3电感的绕线方式可以知道，当电流从电感绕组的起始点流入时，根据右手定则，电感磁芯中产生的磁场方向为从上向下流入表面，那么在图4的耦合回路中产生的磁场方向为从下向上流出表面，图中用黑点来表示耦合回路中产生的磁场方向。
电流模式的电源芯片工作在峰值电流模式，因此只考虑上管开通的电感电流上升阶段。在电感电流上升阶段，电感的磁芯激磁，那么耦合回路感应电流的方向产生的磁场一定和电感磁芯产生的磁场方向相反，耦合回路中产生的磁场方向为：从上向下流入表面。再根据右手定则，耦合回路中产生的感应电流方向为：从地流过Rc和Cc，然后流入COMP管脚。
电流模式工作时，COMP管脚电压是电流检测信号的给定信号，当电流检测信号值等于COMP管脚电压时，PWM产生关断上管的信号。当电流检测信号越强，上升到COMP管脚电压的时间越短，PWM就提前关断上管的信号。
电感绕组的起始点连接到LX管脚时，产生的感应电流方向从地经过Rc和Cc，流入COMP管脚，因此这种连接方向降低了COMP脚的电压，相当于加强电流反馈，这样就可以防止在低占空的工作条件下系统进入到电压模式，系统不容易产生振荡。
相反，当电感绕组的起始点连接到输出时，进一步减小电流反馈信号，系统容易进入电压模式，系统容易产生振荡。
当输出电压越低，系统越容易进入电压模式；同时电感的di/dt和(Vin-Vo)成正比，Vo越低，di/dt越大，干扰越强，因此，电感绕组的起始点不同的连接方式对系统稳定性影响就越明显。
但是当系统的输出电压高时，占空比大，电流反馈信号很大，相对于电流反馈信号，干扰的感应电流信号非常小，因此其对环路的影响可以忽略，此时电感绕组起始点的连接方式对系统的稳定性几乎没有影响，系统也就不容易产生振荡。
3、系统仿真及测试
可以通过将输出电感加一个绕组形成耦合电感，进行仿真研究并实际测试结果。通过寄生回路的电感计算耦合电感的初级和次级的匝比，然后将耦合电感的次级绕组串联连接到地和Rc和Cc环路之间。
改变电感极性，也就是电感绕组起始点的连接方式，COMP管脚的电压具有20~50mV的变化。电感起始点连接LX时，COMP管脚的电压变低，电感起始点连接Vo时，COMP管脚的电压升高。电感起始点连接LX时，系统的带宽小，相位裕量大，系统容易稳定。
另外，输出电容及输出回路的ESL同样也影响到系统的稳定，干扰信号会通过FB管脚进入系统的环路，原理和上面分析结果基本相同。就是在低占空比的工作条件下，系统反馈环路中，引入的电流信号越强，系统越容易稳定。
(a)：COMP管脚电压仿真
(b)：LX管脚电压仿真
(c)：环路仿真
(d)：电感起始点连接LX波形
(e)：电感起始点连接Vo波形
图5：耦合电感的仿真及测试波形
4、结论
（1）在低占空比工作条件下，电流检测信号小，电源芯片工作在电流模式和电压模式的临界状态，系统容易受到干扰产生振荡。电感绕组的起始点连接到LX管脚时，耦合的感应电流降低COMP脚的电压，从而加强电流信号的反馈，系统不容易从电流模式转入电压模式工作，从而提高系统的稳定性。
（2）高占空比的工作条件下，电流检测信号非常大，此时电感绕组起始点不同的连接方式，对系统的稳定性没有影响。
联系客服
