电源变换器中电流模式和电压模式间的相互转化

图2：电流模式的控制系统图

电流模式的Buck变换器需要精密的电流检测电阻并且这会影响到系统的效率和成本，但电流模式有更多的优点：①反馈内在cycle-by- cycle峰值限流；②电感电流真正的软起动特性；③精确的电流检测环；④输出电压与输入电压无关，一阶的系统容易设计反馈环，动态响应快、系统的稳定余量大稳定性好，增益带宽大，即便是输出只用陶瓷电容，也容易设计补偿，补偿管脚只用简单RC网络就能对输出负载瞬态作出稳定响应；⑤精确、快速的电流均流，易实现多相位/多变换器的并联操作得到更大输出电流；⑥允许大的输入电压纹波从而减小输入滤波电容，提高了输入的功率因素；输出允许用陶瓷电容，因此这种模式更省空间、省成本、体积更小、价格更便宜。但是，峰值电流模式中占空比大于50%时，系统的开环不稳定，产生次谐波振荡；而且系统会受到电流噪声的干扰而误动作。

理想的电压模式向电流电模式转化

3.1 1理想电压模式中输出电容ESR取样形成的平均电流模式理想的电压模式

在一定的反馈网络参数下，很难在整个电压输入范围和输出负载变化范围内都能稳定的工作。输出负载变化可以通过加大输出电容同时使用ESR值大的电容来优化其动特性，尽管这样做导致系统的成本和体积增加，同时增大输出的电压纹波。通常，从直观上理解，输出电容ESR和输出电容形成一个零点，对于电流模式，这个零点不是必需的，因为电流模式是单阶的系统，而且这个零点导致高频的增益增加，系统容易受到高频噪声的干扰。所以电流模式或者使用ESR极低的陶瓷电容，使ESR零点提升到更高的频率，就不会对反馈系统产生作用，或者再加入一个极点以抵消零点在高频段的作用，加入极点的方法就是在ITH管脚并一个对地的电容。

电压模式是LC形成的二阶系统，这个零点的引入可以一定的程度上抵消LC双极点的一个极点，使其向单阶系统转化。ESR越大，作用越明显。因此电压模式输出电压通常使用ESR大的电容。

另一方面，注意到，输出电压为：

VCO为输出电容的容抗上的电压，？IL为电感的纹波电流，？IL=α？Iout，α为电流纹波系数，一般取0.2 ~ 0.4.

输出电压的小信号值为：

若ESR小，式中后面的一项基本可以忽略；但是，由于电压模式通常使用ESR值较大的输出电容，这样ESR就不可以忽略，由于ESR的作用，相当于在输入电压的反馈信号中引入了一定程度的电流模式，电流模式反馈量为：？（ESR ？α？ Iout ）

输出电容的ESR将采样的电流信号送到电压误差放大器的输入端，和输出电压信号加在一起，经过电压误差放大器放大，再送到PWM比较器，其工作的原理相当于平均电流反馈。在电压模式中，使用ESR大的输出电容，相当于引入一定程度的平均电流模式，从而增加系统对输出负载变化的动态响应，提高系统的稳定性。

3.2理想电压模式中输入电压前馈形成的电流模式

对于输入电压的变化，目前通常采用输入电压前馈技术，来提高系统对输入电压变化的响应。输入电压前馈如图3所示。图中的实线锯齿波为内部时钟信号产生的斜率固定为k的正常锯齿波，在没有电压前馈时，产生的占空比为d ？ Ts，则有以下公式：

Vc = k *d * Ts

输入电压前馈就是在内部锯齿波上加入随输入电压变化的斜坡，或者从VC信号减去此斜坡。当输入电压突然增加时，内部锯齿波和外加斜坡之和的波形为图3中的虚线所示。

若外加斜坡的斜率为ks，则总的斜率为：k + ks，注意到：ks∝Vin，也就是ks = k Vin ？Vin，所以此时的占空比为：

即：占空比随输入电压的增加立刻而减少，系统提前对输入电压变化做出相应的响应。

图3：电压模式的电压前馈

若不考虑效率，由功率平衡可以得到：Vin ？ Iin = Vout ？ Iout，所以有：

从上式可以看到，所加的输入电压前馈信号也就是输入的电流信号。事实上可以这样理解：输入电压前馈技术也就是在理想的电压模式中，叠加一定的电流反馈，以形成一定的电流反馈，从而增加系统对输入电压变化的响应。

理想的流模式向电压模式转化

4.1轻载时电流模式趋向于电压模式电压模

电源系统进入轻载或空载时，变换器通常工作在突发模式和跳脉冲模式[3].对于跳脉冲模式，变换器进入非连续电流模式，高端的开关管的开通时间为控制器所设定的最小导通时间，同时在有一些开关周期，高端的开关管不导通，也就是屏蔽，或跳去一些开关脉冲，以维持输出电压的调节。注意到：在轻载或空载时，电流信号很小，系统也很难检测到电流信号，另一方面，由于高端的开关管的开通时间固定为最小导通时间，已不受电流检测信号的调节，电流反馈事实上已经不起作用，也就不参与到反馈环节。系统此时工作于标准的电压模式。

对于突发模式，输出电压完全由滞洄比较器控制，滞洄比较器控制通过检测输出电压的变化，将输出电压设定在允许的上限和下限的范围内，系统此时也是工作于标准的电压模式。

4. 2使大的电感值趋向于电压模式

输出电感的选择及设计是基于输出DC电压的稳态和瞬态的要求。较大的电感值可减小输出纹波电流和纹波电压，减小磁芯的损耗，但在负载瞬变过程中改变电感电流的时间会加长，同时增大电感的成本和体积。较小的电感值可以得到较低的直流铜损，但是交流磁芯损耗和交流绕线电阻损耗会变大。

同时使用大的电感时，电感电流的斜率减小，在理想的状态下，若电感值为无穷大，那么在整个开关周期，电感电流为直流值，电流检测信号就不在起作用，也就是标准的电压模式。因此使用的电感值越大，工作于电流模式的控制就越接近于电压模式，在负载瞬变过程中，系统动特性越差。因此对于电流模式，折衷的方法是选择电感纹波电流峰峰值在输出负载电流额定值的20%到40%之间。

4. 3斜坡补偿的电模式趋向于为电压模式

理论上，当占空比大于50%时，电流模式就要加斜坡补偿，系统才能稳定的工作。否则，就会产生次谐波振荡。在实际的应用中，占空比大于40%时，就要加斜坡补偿。占空比大于50%时，斜坡补偿，由于电感充分激磁，而去磁不足，因此输出的电压将比预设定的值高，并将继续升高，直到较慢的电压控制回路调整电流设定点为止，然后输出电压又下降至低于期望值，形成次谐波振荡，其典型的特性就是在一个开关周期，脉冲宽度较宽，在下一个开关周期，脉冲宽度变窄，在每三个开关周期，脉冲宽度又变宽，如此反复。此时可以看到输出电压不稳定，有时还可以听到音频的噪声。