上期回顾:隔离 BUCK 的存在感
控制模式犹如开关电源的大脑,决定了开关电源的工作方式和性能。了解开关电源的控制模式,有助于我们在实际应用中对开关电源进行控制设计与选型。
视频文字部分
首先,在介绍电流模式之前,我们先复习一下电压模式。
以 Buck 电路为例,只有输出电压被采样,经过分压网络后被送入电压误差放大器,与参考电压 Vref 进行比较放大,得到电压误差量 VC,与锯齿波比较后,产生 PWM 信号控制主开关管导通与关断,当输出电压偏低,误差 VC 增大,与锯齿波比较后 PWM 占空比增大,从而传送更多能量到输出端抬升电压。
电压模式 Buck 电路系统存在 LC 二阶极点与输出电容 ESR 高频零点,为了使其环路曲线满足开关电源控制要求,根据零极点对消原理,误差放大器需采用三极点两零点的 Ⅲ 型补偿网络。
电压模式的不足:
Ⅲ 型补偿设计复杂
针对电压模式存在的不足,在电压模式基础上引入电流反馈,诞生了电流模式控制。
在不同的电路拓扑,电流反馈可采样主电路电感、功率开关管或二极管的电流,而根据采用电流值的不同可分为峰值电流、平均电流、谷值电流等,进而得到不同的电流模式控制。
图2
以 Buck 电路为例,电压误差量 Vc 作为电流峰值的限值,与代表电感电流峰值的 Vsigma 进行比较, Vsigma 信号是在电感电流采样信号中注入斜坡补偿得到的。时钟脉冲到来时,RS 触发器置1,主功率开关管导通,Vsigma 随电感电流增大,与 Vc 相交时,RS 触发器置 0 保持,开关管关断,Vsigma 随电感电流减小,当下一个时钟脉冲到来时,重复前述过程,简单总结就是:峰值电流模式利用时钟脉冲控制开关管导通,利用电感电流峰值信号控制开关管关断。
相较于电压模式,峰值电流模式控制的优点在于:
电流内环可看作受控电流源,使电感电流不再是独立变量,系统简化成了一阶电路,仅存在一个极点与输出电容 ESR 高频零点,误差放大器仅需两极点单零点的 Ⅱ 型补偿即可,设计更为简单,系统也具有比二阶的电压模式更大的带宽,响应速度更快。
图3
峰值电流模式也存在一些缺点:
图4
以 Buck 电路为例,输出电压误差量 Vc 连接到电流误差放大器同相端,电感电流采样信号连接到电流误差放大器的反向端,进行积分运算后得到误差信号 Vca,由于该积分值与电感电流平均值成比例,所以 Vca 代表电流平均值的跟踪误差信号。最后与电压控制模式类似,Vca 与锯齿波比较后,产生 PWM 信号控制主开关管导通与关断,当负载加重,误差 Vca 增大,与锯齿波比较后 PWM 占空比增大,传送更多能量到输出端增大电流与抬升电压。
消除了峰值对平均值的误差,实现对电流的进行精确控制;
不需要斜坡补偿,抗噪声性能比峰值电流模式更好;
但是平均电流模式具有两个 Ⅱ 型补偿网络,两者之间设计配合比较复杂。
图5
图6
END