電感極性對BUCK變換器反饋環移定性影響

（萬國半導體元件（深圳）有限公司，上海200070）

0 前言

目前，電焊機的主控制板上通常需要一些降壓Buck變換器為CPU、存儲器等芯片供電，Buck變換器有電壓模式和電流模式兩種控制類型。相比于電壓模式，電流模式由于電流取樣信號加入反饋，抵消了由電感產生的雙極點中的一個極點，從而形成單階系統，因此其具有動態響應快、穩定性好和反饋環容易設計的優點，從而獲得更為廣泛的應用。

降壓Buck變換器的輸出電感工作在單端方式，一般情況下電感的極性對于系統的反饋環路以及系統穩定性沒有影響。但是在一些應用條件下，當輸出電壓低、占空比小時，系統的穩定性會受電感極性影響。在此將具體討論這些問題，并詳細分析原因。

1 問題的提出

測試電路為電流模式的降壓Buck變換器，輸入電壓Uin=12 V，輸出Uo=1.1 V，電流Io=3 A。測試條件：C1=22 μF，C2=32 μF，R1=3.9 kΩ，R2=10.2 kΩ，R3=10 kΩ，Rc=20 kΩ，Cc=5.6 nF，Cff=1 nF，L=3.6 μH，fs=500 kHz，U1型號為 AOZ1073，如圖 1a所示。

圖1 測試電路及波形

通常在電感表面對應著其中的一個管腳，標識有一個圓點，其含義是線圈繞組的起始點和極性，如圖2所示。先將該圓點對應的管腳連接到輸出Uo，測試相關的電壓波形和相位裕量；然后，電感旋轉180°，將圓點對應的管腳連接到U1的LX管腳，測試相關電壓波形和相位裕量。

電感起始點連接Uo的測試結果分別如圖1b和圖1d所示，電感起始點連接LX的測試結果分別如圖1c和圖1e所示。

圖2 電感的極性

可以看出，當電感起始點連接Uo時，LX的波形出現大小波，系統產生明顯振蕩，網絡分析儀不能測量到正確結果。當電感起始點連接LX時，LX的波形工作正常，網絡分析儀測量為：帶寬44.55 kHz，相位裕量33.82°。

2 分析討論

為了分析輸出電壓是否受到電感極性影響，測試時將輸出電壓1.1 V提高至3.3 V。結果發現，電感的極性對于系統的穩定性沒有影響。這表明只有在輸出電壓較低、占空比小時，電感極性才對系統的穩定性有影響。

通常對于電流模式工作的電源芯片，在一些特定條件下可以從正常工作的電流模式轉到電壓模式[1-3]。當占空小、輸出輕載或無負載時以及使用非常大的電感時，由于電流信號非常小或受最小導通時間的限制，系統會由電流模式進入電壓模式[4-5]。

由此可見，當電流模式的電源芯片將12 V轉為1.1 V時，占空比低于10%，極有可能工作在電流模式和電壓模式的臨界狀態。由于電感的極性影響空間磁場方向，那么磁場在系統反饋環路中有可能產生耦合電流或電壓信號，從而影響系統工作狀態。如果它在系統的反饋環產生更強的正向電流檢測信號，系統就會一直工作在起始電流模式；如果它在系統的反饋環產生反向電流檢測信號，即進一步減弱電流檢測信號，系統更趨向于由電流模式轉向電壓模式。系統通常是基于電流模式的特性設計反饋環，當系統在兩種模式間來回切換工作時，系統可能產生不穩定性問題。

最容易受到干擾的是系統反饋環路中阻抗較大的回路，相比于電流模式電源芯片的特性，COMP腳的阻抗較大，因此空間磁場最有可能在該處產生干擾，引入電流信號。

電感和COMP管腳組成的耦合回路如圖3所示，電感繞組的起始點連接到LX管腳。由電感的繞線方式可知，當電流從電感繞組的起始點流入時，根據右手定則在電感磁心中產生的磁場方向為從上向下流入紙里，那么在圖3的耦合回路中產生的磁場方向為從下向上流出紙面，圖中黑點表示耦合回路中產生的磁場方向。

電流模式的電源芯片工作在峰值電流模式，因此只考慮上管開通的電感電流上升階段。在電感電流上升階段，電感的磁心激磁，耦合回路的感應電流方向產生的磁場一定與電感的磁心產生的磁場方向相反，其方向為從上向下流入紙里。再根據右手定則，耦合回路中產生的感應電流的方向為從地流過Rc和Cc，然后流入COMP管腳。

圖3 電感的耦合回路

電流模式工作時，COMP管腳電壓是電流檢測信號的給定信號，當電流檢測信號值等于COMP管腳電壓時，PWM產生關斷上管的信號。電流檢測信號越強，上升到COMP管腳電壓的時間越短，PWM提前關斷上管信號。

電感繞組的起始點連接到LX管腳時，產生的感應電流方向從地經過Rc和Cc流入COMP管腳，這種連接方向降低了COMP腳的電壓，相當于加強電流反饋?？梢苑乐乖诘驼伎展ぷ鳁l件下系統進入到電壓模式，不容易產生振蕩。

相反，當電感繞組的起始點連接到輸出Uo時，進一步減小電流反饋信號，系統容易進入電壓模式，產生振蕩。

輸出電壓越低，系統越容易進入電壓模式；同時，電感的 di/dt和（Uin-Uo）成正比，Uo越低，di/dt越大，干擾越強。因此，電感繞組的起始點不同的連接方式對系統穩定性影響就越明顯。

但是，當系統的輸出電壓較高時，占空比大，電流反饋信號很大。相對于電流反饋信號，干擾的感應電流信號非常小，因此，系統干擾感應電流信號對環路的影響可以忽略，電感繞組起始點的連接方式對系統的穩定性幾乎沒有影響，系統不容易產生振蕩。

3 系統仿真及測試

將輸出電感加一個繞組形成耦合電感進行仿真研究并實際測試結果。通過寄生回路的電感計算耦合電感的初級和次級的匝比，然后將耦合電感的二次側繞組聯接入地和Rc-Cc環路之間。耦合電感的仿真及測試波形如圖4所示。可以看出，改變電感極性，即電感繞組的起始點的連接方式，COMP管腳的電壓在20～50 mV變化。電感起始點連接LX時，COMP管腳電壓變低，電感起始點連接Uo時，COMP管腳電壓升高。且電感起始點連接LX時，系統帶寬小，相位裕量大，系統容易穩定。此外，輸出電容及輸出回路的ESL同樣影響到系統穩定，干擾信號會通過FB管腳進入系統環路，原理與上述分析結果基本相同。即在低占空比工作條件下，系統反饋環路中引入的電流信號越強，系統越容易穩定

圖4 耦合電感的仿真及測試波形

4 結論

（1）在低占空比工作條件下，電流檢測信號小，電源芯片工作在電流模式和電壓模式的臨界狀態，系統容易受到干擾，從而產生振蕩。

（2）在低占空比工作條件下，電感繞組的起始點連接到LX管腳時，耦合的感應電流導致COMP腳電壓降低，從而加強電流信號的反饋，系統不易從電流模式轉入電壓模式工作，提高了系統的穩定性。

（3）在高占空比工作條件下，電流檢測信號非常大，電感繞組的起始點不同的連接方式對系統的穩定性沒有影響。