傳統(tǒng)電流模式的缺陷及改進方案：斜坡補償電路

　　引言

　　開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關晶體管的導通和關斷的時間比率，維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，它和線性電源相比，具有效率高、功率密度高、可以實現(xiàn)和輸人電網(wǎng)的電氣隔離等優(yōu)點，被譽為離效節(jié)能電源M目前開關電源已經(jīng)應用到了各個領域，尤其在大功率應用的場合，開關電源具有明顯的優(yōu)勢。

　　開關電源一般由脈沖寬度控制(PWM)IC、功率開關管、整流二極管和LC濾波電路構成。在中小功率開關電源中，功率開關管可以集成在PWM控制IC內。開關電源按反饋方式分為電壓模式和電流模式。電流模式開關電源因其突出的優(yōu)點而得到了快速的發(fā)展和廣泛的應用。但是電流模式的結構決定了它存在兩個缺點:恒定峰值電流而非恒定平均電流引起的系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定:占空比大于50%時系統(tǒng)的開環(huán)不穩(wěn)定。

　　本文旨在從原理上分析傳統(tǒng)電流模式的缺陷及改進方案，之后分析一個實用的斜坡補償電路。

　　2.電流模式的原理分析

　　開關電源可以有很多種結構，但原理基本相似。圖1是電流模式降壓斬波fg(Buck)開關電源的原理圖。它和電壓模式的主要區(qū)別是增加了電流采樣電阻R3和電流放大器IA. R3的阻值一般很小，以避免大的功耗。功率管Ql在每個周期開始的時候開啟并維持一段時間Ton，通過濾波電感Lo對濾波電容C。充電、同時向負載提供電流，此時Lo上電流隨時間的變化率為

　　電感電流到達一定值后功率管關斷，二極管D1起續(xù)流和鉗位作用。設DI的導通壓降為VZ，則此時

　　RI和R2分壓后和Vπf 比較并放大，變?yōu)樾盘朧EA;同時R3兩端的壓降經(jīng)IA放大后變?yōu)樾盘朧IA，當VIA高于VEA時，相關控制電路將控制功率管關斷，從而達到調節(jié)占空比的目的。通過實時地調節(jié)占空比，輸出電壓可以穩(wěn)定在一個預先設定的值。上述工作過程的波形如圖2,實線表示連續(xù)工作模式，虛線表示不連續(xù)工作模式，其中Clock表示時鐘信號，VEA表示EA的輸出，VIA表示IA的輸出，IQ1是功率管的電流，ID1是二極管電流

　　電流模式由于采用了電壓一電流雙環(huán)控制顯著改善了開關電源的性能，主要表現(xiàn)在：

　　① 根本消除了Push-pull開關電源存在的磁通量失恒問題磁通量失恒會減弱電感的承壓能力，導致功率管電流不斷增大并最終燒毀。電流模式在每個周期都限定功率管峰值電流，能徹底杜絕磁通量失恒.

　?、?電壓調整率顯著減小。當輸人電壓波動時圖1中的電流檢測電阻R3會立即檢測到峰值電流的變化，快速調整占空比，使輸出電壓穩(wěn)定

　　③ 簡化了反饋電路的設計LC濾波電路在頻率達到共鳴頻率

后，相移會接近最大值180°，輸人到輸出的增益會隨著頻率的升高而迅速減小，這就增加了開關電源反饋電路設計的復雜程度在電流模式中，濾波電感的小信號阻抗幾乎為零，這樣就只能產生最大90,相移，增益隨頻率升高而下降的速度也減小為實際LC濾波電路的一半。因此反饋電路的設計可以大幅簡化

　?、?改善了負載調整率。在電流模式中，誤差放大器的帶寬更大，因而負載調整率更好。

　　3.電流模式的缺點

　　3.1恒定峰值電流引起的電感平均電流不恒定

　　電流模式的實質是使電感平均電流跟隨誤差放大器輸出電壓VEA設定的值，即可用一個恒流源來代替電感，使整個系統(tǒng)由二階降為一階。但在常用的峰值電流模式中，不同的占空比會導致不同的電感平均電流。這可以由平均電流的計算式看出:

　　其中Ip是峰值電流，dl是峰值電流和最小值的差值，T是時鐘周期，ton和toff分別為功率管開啟時間和關斷時間

　　如圖3所示，當由于某種原因使輸人電壓從Vdc1變化到Vdc2，電感電流的上升沿斜率將會變化(Vdc2-Vdc1)/Lo而下降沿斜率不變.占空比將從Dl變?yōu)镈2，電感電流的平均值從Iav1變化到Iav2，這往往會導致輸出電壓在一段時間內振蕩

　　3.2 電感擾動電流引起的輸出振蕩

　　在輸入電壓不變的條件下，當由于某種外部原因使電感上的電流在一個下降沿結束時發(fā)生小的擾動AI，因為電流的上升沿和下降沿的斜率以及峰值電流都不變，所以在下一個周期結束后，這個擾動電流將被放大為

　　其中dt為發(fā)生擾動后導通時間的變化值，m1和m2分別為上升斜率和下降斜率。