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电源变换器中电流模式和电压模式相互转化

时间:09-12 来源:互联网 点击:

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

声的干扰。

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]。

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