開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電流模式控制

本文提供了電流模式控制的入門(mén)知識(shí)，這是一種廣泛使用的電壓模式控制的替代方案，可以更快地響應(yīng)輸入電壓和負(fù)載電流的變化。

關(guān)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的介紹性文章有時(shí)會(huì)顯示只描述功率級(jí)的圖表，盡管如果你一直在閱讀我關(guān)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的文章，你就會(huì)知道這些電路需要功率級(jí)和控制器。雖然功率級(jí)是基于電感器的電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，但基于反饋的開(kāi)關(guān)控制是產(chǎn)生可預(yù)測(cè)、穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵。

在我的閉環(huán)控制入門(mén)中，我們檢查并模擬了一個(gè)電壓控制電路。這一次，我們將討論一種不同的控制方案：電流模式控制，也稱為CMC。

電壓模式控制

在我們進(jìn)入主題之前，讓我們簡(jiǎn)要回顧一下閉環(huán)控制的最簡(jiǎn)單方法。它遵循以下步驟：

輸出電壓通過(guò)電阻分壓器反饋到誤差放大器。

誤差放大器產(chǎn)生與縮放的輸出電壓和參考電壓之間的差成比例的誤差信號(hào)。

比較器使用誤差信號(hào)和外部生成的斜坡信號(hào)來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的PWM波形。

PWM占空比的變化會(huì)影響輸出電壓。

當(dāng)所有這些都集成到一個(gè)適當(dāng)補(bǔ)償?shù)姆答伝芈分袝r(shí)，調(diào)節(jié)器將鎖定在指定的輸出電壓上，并自動(dòng)響應(yīng)線路和負(fù)載的變化。這就是我們所說(shuō)的電壓模式控制。

下面，圖1顯示了通用電路的電壓控制設(shè)置。

電路圖顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的電壓模式控制設(shè)置。

圖1。電壓模式控制方案。

電流模式控制

盡管直觀有效，但電壓模式控制有一個(gè)固有的局限性：在輸出端檢測(cè)到電壓變化，由于電容的原因，電壓變化必然會(huì)逐漸變化，在輸出端也會(huì)觀察到主控制變量（PWM占空比）的影響。因此，閉環(huán)控制動(dòng)作必須從輸出端一直傳播到輸出端。這減緩了過(guò)程，使電壓模式控制成為處理線路或負(fù)載波動(dòng)的一種相當(dāng)滯后的方法。

CMC從根本上修改了控制回路的傳遞函數(shù)。其基本前提是，通過(guò)對(duì)功率級(jí)內(nèi)電感器Lo的電流進(jìn)行采樣（圖2），并將這些信息納入反饋回路，電路可以通過(guò)電感器電流調(diào)節(jié)輸出電壓。換言之，直接控制下的變量是功率級(jí)的電感器電流，并且輸出電壓由于調(diào)節(jié)電感器的電流而自行調(diào)節(jié)。

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)示例

圖2:DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的示例。

與電壓模式控制相比，CMC為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了顯著的復(fù)雜性。然而，這是一種可行的方法，可以提高響應(yīng)時(shí)間并簡(jiǎn)化環(huán)路補(bǔ)償，而不會(huì)以任何嚴(yán)重的方式降低電路性能。

CMC操作

盡管細(xì)節(jié)會(huì)因轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所實(shí)現(xiàn)的CMC類型而異，但圖3中的圖表應(yīng)該讓您了解如何將電流模式控制納入降壓轉(zhuǎn)換器。

示出了降壓轉(zhuǎn)換器的電流模式控制，更具體地說(shuō)是峰值電流模式控制的圖。

圖3。一種電流模式控制的降壓轉(zhuǎn)換器。

電流感測(cè)電阻器（RSENSE）產(chǎn)生與電感器電流成比例的電壓。請(qǐng)注意，我使用的術(shù)語(yǔ)“電感器電流”有點(diǎn)松散——通過(guò)感應(yīng)電阻器的電流并不總是與通過(guò)電感器的電流相同。在上圖中，感測(cè)電阻器位于電感器的輸出側(cè)并與電感器串聯(lián)，并且RSENSE兩端的電壓將始終與瞬時(shí)電感器電流成正比。

也可以定位感測(cè)電阻器，使其與功率級(jí)中的開(kāi)關(guān)串聯(lián)。這在開(kāi)關(guān)周期的接通部分期間產(chǎn)生與電感器電流成比例的電壓。然而，對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，電感器與輸入電源串聯(lián)。為了與電感器串聯(lián)，感測(cè)電阻器必須在電路的輸入側(cè)。

如圖所示，電壓反饋仍然存在——感應(yīng)電感器電流并不能取代感應(yīng)輸出電壓。相反，這兩個(gè)測(cè)量值以允許回路通過(guò)控制電感器電流來(lái)響應(yīng)輸出偏差的方式進(jìn)行組合。接下來(lái)，我們將討論實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的兩種不同方式。

峰值電流模式控制與平均電流模式控制

峰值CMC和平均CMC表示控制電感器電流的兩種不同方式。對(duì)于峰值CMC，電感器電流（由RSENSE和放大器轉(zhuǎn)換為電壓）與誤差信號(hào)進(jìn)行比較。由此產(chǎn)生PWM波形，當(dāng)瞬時(shí)電感器電流達(dá)到指定幅度時(shí)，該P(yáng)WM波形關(guān)斷開(kāi)關(guān)。

利用平均CMC，將與電感器電流相對(duì)應(yīng)的電壓傳送到集成電流誤差放大器。該放大器的輸出成為PWM生成比較器的輸入。外部產(chǎn)生的斜坡信號(hào)提供比較器的另一個(gè)輸入。

我們?cè)谏厦鏅z查的通用CMC圖顯示了峰值CMC方案。平均CMC看起來(lái)更像圖4。

顯示降壓轉(zhuǎn)換器的平均CMC設(shè)置的示意圖。

圖4。具有平均CMC而不是峰值CMC的降壓轉(zhuǎn)換器控制方案。

平均CMC解決了峰值CMC的缺點(diǎn)，但并不一定優(yōu)越——和往常一樣，每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)。盡管平均CMC提供了顯著的理論優(yōu)勢(shì)，但這些優(yōu)勢(shì)并不總是轉(zhuǎn)化為物理電路性能的顯著提高。

下一篇

在這篇文章中，我們回顧了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電壓模式控制，解釋了為什么電流模式控制是一種理想的選擇，并介紹了CMC如何操作的一些介紹性信息。下一次，我們將查看SPICE示意圖，它將幫助我們更好地了解CMC降壓轉(zhuǎn)換器的電氣行為。