電源變換器中電流模式和電壓模式間的相互轉(zhuǎn)化解析

本文先簡單的介紹了電流模式和電壓模式的工作原理和這兩種工作模式它們各自的優(yōu)缺點；然后探討了理想的電壓模式利用輸出電容ESR取樣加入平均電流模式和通過輸入電壓前饋加入電流模式的工作過程。也討論了電流模式在輸出輕載或無負(fù)載時，在使用大的電感或在占比大于0.5加入斜坡補償后，系統(tǒng)會從電流模式進入電壓模式工作過程。
　　目前，電壓模式和電流模式是開關(guān)電源系統(tǒng)中常用的兩種控制類型。通常在討論這兩種工作模式的時候，所指的是理想的電壓模式和電流模式。電流模式具有動態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好和反饋環(huán)容易設(shè)計的優(yōu)點，其原因在于電流取樣信號參與反饋，抵消了由電感產(chǎn)生的雙極點中的一個極點，從而形成單階的系統(tǒng)；但正因為有了電流取樣信號，系統(tǒng)容易受到電流噪聲的干擾而誤動作。電壓模式由于沒有電流取樣信號參與反饋，系統(tǒng)也就不容易受到電流噪聲的干擾。
　　然而，在實際的應(yīng)用中，通常看似為電壓模式的開關(guān)電源系統(tǒng)，即系統(tǒng)沒有使用電流取樣電阻檢測電流信號，但也會采用其它的方式引入一定程度的電流反饋，從而提高系統(tǒng)動態(tài)響，如：利用輸出電容ESR取樣加入平均電流模式，通過輸入電壓前饋加入電流模式。另一方面，看似為電流模式的開關(guān)電源系統(tǒng)，在輸出輕載或無負(fù)載時，系統(tǒng)會從電流模式進入電壓模式。在使用大的電感時，或在占比大于0.5加入斜坡補償后，系統(tǒng)會從電流模式向電壓模式過渡。本文將討論這些問題，從而幫助工程師在遇到系統(tǒng)不穩(wěn)定的時候從理論上分析，找到解決問題的辦法。
　　電壓模式的工作原理
　　電壓模式的控制系統(tǒng)如圖1所示。反饋環(huán)路只有一個電壓環(huán)，電壓外環(huán)包括電壓誤差放大器，反饋電阻分壓器和反饋補償環(huán)節(jié)。電壓誤差放大器的同相端接到一個參考電壓Vref，反饋電阻分壓器連接到電壓誤差放大器反相端VFB，反饋環(huán)節(jié)連接到VFB和電壓誤差放大器的輸出端VC.輸出電壓微小的變化反映到VFB管腳，VFB管腳電壓與參考電壓的差值被電壓誤差放大器放大，然后輸出，輸出值為VC.
　　電壓誤差放大器輸出連接到PWM比較器的同相端，PWM比較器的反相端輸入信號為斜波發(fā)生器的輸出的連續(xù)鋸齒波，由時鐘同步信號產(chǎn)生。
　　每一個開關(guān)周期開始時，PWM比較器的反相端電壓為0，PWM比較器輸出為高電平，高端的主MOSFET導(dǎo)通，電感所加的電壓為正，電感激磁，電流線性上升；PWM比較器的反相端電壓所加的電壓為時鐘同步信號產(chǎn)生的鋸齒波，電壓從0開始上升。
　　當(dāng)PWM比較器的反相端電壓增加到等于電壓誤差放大器輸出電壓VC時，PWM比較器輸出從高電平翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，高端的主MOSFET關(guān)閉，低端的同步MOSFET或續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感所加的電壓為負(fù)，電感去磁，電流線性下降。下一個開關(guān)周期開始的時鐘同步信號到來時，主MOSFET又導(dǎo)通，如此反復(fù)。
　　從電壓模式工作原理可以看到，系統(tǒng)沒有內(nèi)置的限流功能保護電路，同時對輸入和輸出的瞬變響應(yīng)緩慢。為了提高系統(tǒng)的可靠性，需要外加限流保護電路，注意到限流保護電路只起限流的作用，并不參與系統(tǒng)的內(nèi)部的反饋調(diào)節(jié)。
　　
　　圖1：電壓模式的控制系統(tǒng)圖
　　電壓模式為單反饋環(huán)控制系統(tǒng)，環(huán)路增益是輸出電容ESR的函數(shù)，因此反饋補償設(shè)計比較復(fù)雜，需要更多額外的器件仔細(xì)設(shè)計補償環(huán)路，來優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。另外，需要電解電容或鉭電容穩(wěn)定控制回路以維持良好的高頻響應(yīng)；在相同均方根工作電流的需求下，相同電容值的電解電容或鉭電容比陶瓷電容的體積更大，同時輸出電壓的波動也更大。同時，由于環(huán)路的增益是輸入電壓的函數(shù)，需要輸入電壓前饋。用于限流控制的電流檢測緩慢不準(zhǔn)確。如果多個電源和多個并聯(lián)相位操作，需要外部電路進行均流控制。另一方面，由于電流信號不參與反饋，系統(tǒng)不會受到電流噪聲的干擾。
　　電壓模式的反饋設(shè)計通常取穿越頻率為1/5-1/10的開關(guān)頻率。環(huán)路補償采用III類補償網(wǎng)絡(luò)：3個極點和2個零點［1］.2個零點安排在L-C諧振雙極點附近，以抵消雙極點產(chǎn)生的相位延遲；低頻積分電路用以提高的低頻直流增益；2個高頻極點以產(chǎn)年高頻噪聲衰減，保證在0dB穿越頻率以上環(huán)路增益保持下降。