開關(guān)穩(wěn)壓器的電流模式控制詳解

電壓模式控制通過(guò)將輸出電壓反饋到誤差放大器來(lái)控制輸出電壓，而CMC則通過(guò)采樣電感電流來(lái)控制輸出電壓。

CMC相較于電壓模式控制在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上更加復(fù)雜，但在提高響應(yīng)時(shí)間和簡(jiǎn)化環(huán)路補(bǔ)償方面具有優(yōu)勢(shì)。

摘要

本文介紹了電壓模式控制和當(dāng)前模式控制（CMC）用于開關(guān)電源調(diào)節(jié)器的原理。電壓模式控制使用輸出電壓作為反饋信號(hào)，通過(guò)調(diào)整脈寬調(diào)制（PWM）波形來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。而CMC通過(guò)采樣電感電流并將其納入反饋環(huán)路中，通過(guò)調(diào)整電感電流來(lái)控制輸出電壓。CMC相較于電壓模式控制具有更快的響應(yīng)時(shí)間，但也增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。不同的CMC方式包括峰值模式控制和平均模式控制，它們分別通過(guò)比較電感電流和錯(cuò)誤信號(hào)或者將電感電流輸入到集成的電流誤差放大器來(lái)控制電感電流。盡管平均模式控制在理論上具有優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際電路性能并不一定比峰值模式控制更好。

有關(guān)開關(guān)穩(wěn)壓器的介紹性文章有時(shí)會(huì)顯示僅描述功率級(jí)的圖表，但如果您一直在閱讀我有關(guān)開關(guān)穩(wěn)壓器技術(shù)和拓?fù)涞奈恼?，您就?huì)知道這些電路需要功率級(jí)和控制器。雖然功率級(jí)可能確實(shí)是基于電感器的電壓轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，但基于反饋的開關(guān)控制是生成可預(yù)測(cè)的穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵。

在我的閉環(huán)控制入門書中，我們檢查并模擬了電壓控制電路。這次，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

在進(jìn)入主題之前，讓我們簡(jiǎn)要回顧一下最直接的閉環(huán)控制方法。它遵循以下步驟：

輸出電壓通過(guò)電阻分壓器反饋至誤差放大器。

誤差放大器產(chǎn)生與縮放輸出電壓和參考電壓之間的差值成比例的誤差信號(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)所有這些都集成到適當(dāng)補(bǔ)償?shù)姆答伃h(huán)路中時(shí)，調(diào)節(jié)器將鎖定指定的輸出電壓并自動(dòng)響應(yīng)線路和負(fù)載變化。這就是我們所說(shuō)的電壓模式控制。

下面的圖 1 顯示了通用電路的電壓控制設(shè)置。

圖 1.電壓模式控制方案。

電流模式控制

雖然直觀且有效，但電壓模式控制具有固有的局限性：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，并且在輸出端也會(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)作必須從輸出一路傳播到再次輸出。這會(huì)減慢該過(guò)程，使得電壓模式控制成為一種處理線路或負(fù)載波動(dòng)的相當(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)電感電流進(jìn)行采樣并將該信息納入反饋環(huán)路，電路可以通過(guò)電感電流來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。換句話說(shuō)，直接控制的變量是電感電流，并且輸出電壓由于調(diào)節(jié)電感電流而自行調(diào)節(jié)。

與電壓模式控制相比，CMC 顯著增加了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。盡管如此，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)嚴(yán)重降低電路性能。

CMC運(yùn)作

盡管細(xì)節(jié)會(huì)因轉(zhuǎn)換器拓?fù)浜退鶎?shí)施的 CMC 類型而異，但圖 2 中的圖表應(yīng)該讓您了解如何將電流模式控制合并到降壓轉(zhuǎn)換器中。

圖 2.電流模式控制降壓轉(zhuǎn)換器。

電流檢測(cè)電阻 (R SENSE) 生成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”有些寬松 - 通過(guò)檢測(cè)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，檢測(cè)電阻位于電感器的輸出側(cè)并與電感器串聯(lián)，R SENSE兩端的電壓始終與瞬時(shí)電感器電流成正比。

還可以放置檢測(cè)電阻，使其與功率級(jí)中的開關(guān)串聯(lián)。這會(huì)在開關(guān)周期的接通部分產(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)，檢測(cè)電阻器必須位于電路的輸入側(cè)。

如圖所示，電壓反饋仍然存在——感測(cè)電感電流并不會(huì)取代感測(cè)輸出電壓。相反，這兩種測(cè)量結(jié)果以一種允許環(huán)路通過(guò)控制電感器電流來(lái)響應(yīng)輸出偏差的方式組合。接下來(lái)，我們將討論實(shí)現(xiàn)此目的的兩種不同方法。

峰值電流模式控制與平均電流模式控制

峰值 CMC 和平均 CMC 代表控制電感器電流的兩種不同方式。通過(guò)峰值 CMC，電感器電流（由R SENSE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)，該波形關(guān)閉開關(guān)。

通過(guò)平均 CMC，與電感器電流相對(duì)應(yīng)的電壓被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。外部生成的斜坡信號(hào)提供比較器的另一個(gè)輸入。

我們上面檢查的通用 CMC 圖顯示了峰值 CMC 方案。平均 CMC 看起來(lái)更像圖 3。

圖 3.具有平均 CMC（而不是峰值 CMC）控制方案的降壓轉(zhuǎn)換器。

平均 CMC 解決了峰值 CMC 的缺點(diǎn)，但它并不一定優(yōu)越 - 與往常一樣，每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。盡管普通 CMC 具有顯著的理論優(yōu)勢(shì)，但這些優(yōu)勢(shì)并不總能轉(zhuǎn)化為物理電路性能的顯著提高。

總結(jié)

在本文中，我們回顧了開關(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理想的替代方案，并回顧了有關(guān) CMC 如何運(yùn)行的一些介紹性信息。

審核編輯：湯梓紅