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开关电源的电流模式控制

2024-12-26 MPS芯源系统 阅读:
常见的控制模式有电压模式、电流模式和恒定导通时间模式(COT),今天我们要带大家了解——电流模式控制的原理及应用特点!
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上期回顾:离 BUCK 的存在感bjHednc

本期内容

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。bjHednc

常见的控制模式有电压模式、电流模式和恒定导通时间模式(COT),今天我们要带大家了解——电流模式控制的原理及应用特点!

视频文字部分bjHednc

首先,在介绍电流模式之前,我们先复习一下电压模式。bjHednc

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。bjHednc

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图1

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。bjHednc

电压模式的不足:bjHednc

  • 输入电压变化或负载变化时,控制延时大,输出响应速度慢 
  • Ⅲ 型补偿设计复杂bjHednc

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bjHednc

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,进而得到不同的电流模式控制。

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01 峰值电流模式控制

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图2bjHednc

峰值电流模式与电压模式控制的不同点在于,用电流纹波信号代替了锯齿波,电压环为外环,控制电流内环,形成双环控制。
工作原理:

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。   bjHednc

相较于电压模式,峰值电流模式控制的优点在于: bjHednc

  • 输入电压的变化会直接在电感电流上反映出来,因此具有前馈补偿的功能,能够对输入电压变化快速响应,电压调整率好;负载变化也会直接反映在电感电流,响应快; 
  • 每个周期内,电流峰值受限于电压误差放大器输出信号,天然具有逐周期过流保护功能; 
  • 允许多个电源通过一个电压环并联工作,可实现均流。 
  • 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。bjHednc

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    图3bjHednc

峰值电流模式也存在一些缺点:bjHednc

电感电流连续且占空比大于50%时,电感电流的扰动量逐渐发散增大,导致开关 SW 波形变为大小波,系统不稳定,即产生次谐波震荡,因此需要注入斜坡信号消除该现象。斜坡补偿的加入,电源芯片限流点会随着占空比的增大而逐渐减小,使电流输出能力下降。另外,在一些拓扑中,电感电流峰值不能准确反映电流平均值,不能精准控制电流。
02 平均电流模式控制

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图4bjHednc

针对峰值电流模式的不足,在电流内环引入了电流平均值,诞生了平均电流模式。
与峰值电流模式不同之处在于,平均电流模式利用电流平均值的跟踪误差信号与锯齿波比较后生成 PWM 波形。
工作原理:

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。 bjHednc

因此,相比于峰值电流模式,平均电流模式具有以下优点:
  • 消除了峰值对平均值的误差,实现对电流的进行精确控制bjHednc

  • 不需要斜坡补偿,抗噪声性能比峰值电流模式更好; bjHednc

  • 适合于任何开关电源拓扑对输入或输出电流的控制

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。bjHednc

03 电流模式应用

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图5bjHednc

平均电流模式适用于精准控制电流的应用,比如 PFC 电路需要控制电流波形跟随正弦电压,实现对电流的精准控制。 

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图6bjHednc

峰值电流模式适用于对电流控制精度要求不高的场合,比如 Buck 电路,由于电感电流平均值即输出电流,但电感电流纹波较小,对输出电流控制精度影响不大,而且相较平均电流模式更易于环路设计调试。
因此,峰值电流模式比平均电流模式更适合于常规 Buck、Boost 及其衍生电路 Flyback 等。 

ENDbjHednc

责编:Ricardo
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