电源变换器中电流模式和电压模式相互转化

目前，电压模式和电流模式是开关电源系统中常用的两种控制类型。通常在讨论这两种工作模式的时候，所指的是理想的电压模式和电流模式。电流模式具有动态响应快、稳定性好和反馈环容易设计的优点，其原因在于电流取样信号参与反馈，抵消了由电感产生的双极点中的一个极点，从而形成单阶的系统；但正因为有了电流取样信号，系统容易受到电流噪声的干扰而误动作。电压模式由于没有电流取样信号参与反馈，系统也就不容易受到电流噪

然而，在实际的应用中，通常看似为电压模式的开关电源系统，即系统没有使用电流取样电阻检测电流信号，但也会采用其它的方式引入一定程度的电流反馈，从而提高系统动态响，如：利用输出电容 ESR 取样加入平均电流模式，通过输入电压前馈加入电流模式。另一方面，看似为电流模式的开关电源系统，在输出轻载或无负载时，系统会从电流模式进入电压模式。在使用大的电感时，或在占比大于 0.5 加入斜坡补偿后，系统会从电流模式向电压模式过渡。本文将讨论这些问题，从而帮助工程师在遇到系统不稳定的时候从理论上分析，找到解决问题的办法。

1 电压模式的工作原理

电压模式的控制系统如图 1 所示。反馈环路只有一个电压环，电压外环包括电压误差放大器，反馈电阻分压器和反馈补偿环节。电压误差放大器的同相端接到一个参考电压Vref，反馈电阻分压器连接到电压误差放大器反相端 VFB，反馈环节连接到 VFB和电压误差放大器的输出端 VC。输出电压微小的变化反映到 VFB管脚，VFB管脚电压与参考电压的差值被电压误差放大器放大，然后输出，输出值为 VC。

电压误差放大器输出连接到 PWM 比较器的同相端，PWM 比较器的反相端输入信号为斜波发生器的输出的连续锯齿波，由时钟同步信号产生。

每一个开关周期开始时，PWM 比较器的反相端电压为 0，PWM 比较器输出为高电平，高端的主 MOSFET 导通，电感所加的电压为正，电感激磁，电流线性上升；PWM 比较器的反相端电压所加的电压为时钟同步信号产生的锯齿波，电压从 0 开始上升。

当 PWM 比较器的反相端电压增加到等于电压误差放大器输出电压 VC时，PWM 比较器输出从高电平翻转，输出低电平，高端的主 MOSFET 关闭，低端的同步 MOSFET 或续流二极管导通，电感所加的电压为负，电感去磁，电流线性下降。下一个开关周期开始的时钟同步信号到来时，主 MOSFET 又导通，如此反复。

从电压模式工作原理可以看到，系统没有内置的限流功能保护电路，同时对输入和输出的瞬变响应缓慢。为了提高系统的可靠性，需要外加限流保护电路，注意到限流保护电路只起限流的作用，并不参与系统的内部的反馈调节。

图1：电压模式的控制系统图

电压模式为单反馈环控制系统，环路增益是输出电容 ESR 的函数,因此反馈补偿设计比较复杂，需要更多额外的器件仔细设计补偿环路，来优化负载瞬态响应。另外，需要电解电容或钽电容稳定控制回路以维持良好的高频响应；在相同均方根工作电流的需求下，相同电容值的电解电容或钽电容比陶瓷电容的体积更大，同时输出电压的波动也更大。同时，由于环路的增益是输入电压的函数,需要输入电压前馈。用于限流控制的电流检测缓慢不准确。如果多个电源和多个并联相位操作,需要外部电路进行均流控制。另一方面，由于电流信号不参与反馈，系统不会受到电流噪声的干扰。

电压模式的反馈设计通常取穿越频率为1/5-1/10的开关频率。环路补偿采用III类补偿网络：3个极点和2个零点 [1]。2个零点安排在L-C谐振双极点附近，以抵消双极点产生的相位延迟；低频积分电路用以提高的低频直流增益；2个高频极点以产年高频噪声衰减，保证在0dB穿越频率以上环路增益保持下降。

2 电流模式的工作原

电流模式的控制系统如图 2 所示。在电流模式的结构中，反馈有二个环路：一个电压外环，另一个是电流的内环。电压外环包括电压误差放大器，反馈电阻分压器和反馈补偿环节。电压误差放大器的同相端接到一个参考电压 Vref，反馈电阻分压器连接到电压误差放大器反相端 VFB，反馈环节连接到 VFB和电压误差放大器的输出端 ITH。若电压型放大器是跨导型放大器，则反馈环节连接到电压误差放大器的输出端 ITH和地。目前，在高频 DCDC 的应用
中，跨导型放大器应用更多。本文就以跨导型放大器进行讨论。输出电压微小的变化反映到VFB管脚， VFB管脚电压与参考电压的差值被跨导型放大器放大，然后输出，输出值为 VITH，跨导型放大器输出连接到电流比较器的同相端，电流比较器的反相端输入信号为电流检测电阻的电压信号 VSENSE。由此可见，对于电流比较器，电压外环的输出信号作为电流内环的给定信号。对于峰值电流模式，工作原理如下：在时钟同步信号到来时，高端的主开关管开通，电感激磁，电流线性上升，电流检测电阻的电压信号也线性上升，由于此时电压外环的输出电压信号高于电流检测电阻的电压，电流比较器输出为高电压；当电流检测电阻的电压信号继续上升，直到等于电压外环的输出电压信号时，电流比较器的输出翻转，从高电平翻转为低电压，逻辑控制电路工作，关断高端的主开关管的驱动信号，高端的主开关管关断，此时电感开始去磁，电流线性下降，到一个开关周期开始的时钟同步信号到来，如此反复 [2]。