电感极性对BUCK变换器反馈环移定性影响

（万国半导体元件（深圳）有限公司，上海200070）

0 前言

目前，电焊机的主控制板上通常需要一些降压Buck变换器为CPU、存储器等芯片供电，Buck变换器有电压模式和电流模式两种控制类型。相比于电压模式，电流模式由于电流取样信号加入反馈，抵消了由电感产生的双极点中的一个极点，从而形成单阶系统，因此其具有动态响应快、稳定性好和反馈环容易设计的优点，从而获得更为广泛的应用。

降压Buck变换器的输出电感工作在单端方式，一般情况下电感的极性对于系统的反馈环路以及系统稳定性没有影响。但是在一些应用条件下，当输出电压低、占空比小时，系统的稳定性会受电感极性影响。在此将具体讨论这些问题，并详细分析原因。

1 问题的提出

测试电路为电流模式的降压Buck变换器，输入电压Uin=12 V，输出Uo=1.1 V，电流Io=3 A。测试条件：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型号为 AOZ1073，如图 1a所示。

图1 测试电路及波形

通常在电感表面对应着其中的一个管脚，标识有一个圆点，其含义是线圈绕组的起始点和极性，如图2所示。先将该圆点对应的管脚连接到输出Uo，测试相关的电压波形和相位裕量；然后，电感旋转180°，将圆点对应的管脚连接到U1的LX管脚，测试相关电压波形和相位裕量。

电感起始点连接Uo的测试结果分别如图1b和图1d所示，电感起始点连接LX的测试结果分别如图1c和图1e所示。

图2 电感的极性

可以看出，当电感起始点连接Uo时，LX的波形出现大小波，系统产生明显振荡，网络分析仪不能测量到正确结果。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44.55 kHz，相位裕量33.82°。

2 分析讨论

为了分析输出电压是否受到电感极性影响，测试时将输出电压1.1 V提高至3.3 V。结果发现，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、占空比小时，电感极性才对系统的稳定性有影响。

通常对于电流模式工作的电源芯片，在一些特定条件下可以从正常工作的电流模式转到电压模式[1-3]。当占空小、输出轻载或无负载时以及使用非常大的电感时，由于电流信号非常小或受最小导通时间的限制，系统会由电流模式进入电压模式[4-5]。

由此可见，当电流模式的电源芯片将12 V转为1.1 V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方向，那么磁场在系统反馈环路中有可能产生耦合电流或电压信号，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，系统就会一直工作在起始电流模式；如果它在系统的反馈环产生反向电流检测信号，即进一步减弱电流检测信号，系统更趋向于由电流模式转向电压模式。系统通常是基于电流模式的特性设计反馈环，当系统在两种模式间来回切换工作时，系统可能产生不稳定性问题。

最容易受到干扰的是系统反馈环路中阻抗较大的回路，相比于电流模式电源芯片的特性，COMP脚的阻抗较大，因此空间磁场最有可能在该处产生干扰，引入电流信号。

电感和COMP管脚组成的耦合回路如图3所示，电感绕组的起始点连接到LX管脚。由电感的绕线方式可知，当电流从电感绕组的起始点流入时，根据右手定则在电感磁心中产生的磁场方向为从上向下流入纸里，那么在图3的耦合回路中产生的磁场方向为从下向上流出纸面，图中黑点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，电感的磁心激磁，耦合回路的感应电流方向产生的磁场一定与电感的磁心产生的磁场方向相反，其方向为从上向下流入纸里。再根据右手定则，耦合回路中产生的感应电流的方向为从地流过Rc和Cc，然后流入COMP管脚。

图3 电感的耦合回路

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。电流检测信号越强，上升到COMP管脚电压的时间越短，PWM提前关断上管信号。

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，这种连接方向降低了COMP脚的电压，相当于加强电流反馈。可以防止在低占空工作条件下系统进入到电压模式，不容易产生振荡。

相反，当电感绕组的起始点连接到输出Uo时，进一步减小电流反馈信号，系统容易进入电压模式，产生振荡。

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（Uin-Uo）成正比，Uo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，当系统的输出电压较高时，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，系统干扰感应电流信号对环路的影响可以忽略，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，系统不容易产生振荡。

3 系统仿真及测试

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，然后将耦合电感的二次侧绕组联接入地和Rc-Cc环路之间。耦合电感的仿真及测试波形如图4所示。可以看出，改变电感极性，即电感绕组的起始点的连接方式，COMP管脚的电压在20～50 mV变化。电感起始点连接LX时，COMP管脚电压变低，电感起始点连接Uo时，COMP管脚电压升高。且电感起始点连接LX时，系统带宽小，相位裕量大，系统容易稳定。此外，输出电容及输出回路的ESL同样影响到系统稳定，干扰信号会通过FB管脚进入系统环路，原理与上述分析结果基本相同。即在低占空比工作条件下，系统反馈环路中引入的电流信号越强，系统越容易稳定

图4 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，从而产生振荡。

（2）在低占空比工作条件下，电感绕组的起始点连接到LX管脚时，耦合的感应电流导致COMP脚电压降低，从而加强电流信号的反馈，系统不易从电流模式转入电压模式工作，提高了系统的稳定性。

（3）在高占空比工作条件下，电流检测信号非常大，电感绕组的起始点不同的连接方式对系统的稳定性没有影响。