开关电源变换器工作模式--电流模式

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开关电源变换器工作模式--电流模式

                 
1 常规峰值电流模式结构

峰值电流模式是双闭环控制系统，反馈有二个环路：电压外环和电流内环，如图1所示。电压外环包括电压误差放大器，反馈分压电阻器和反馈补偿网络。

电压误差放大器有通用放大器和跨导型放大器两类型。电压误差放大器是通用放大器时，电压误差放大器的同相端接到参考电压Vref，反馈分压电阻器连接到电压误差放大器反相端FB，反馈网络连接在反相端FB和电压误差放大器的输出端COMP之间，如图1(a)所示。

若电压放大器是跨导型放大器，由于跨导型放大器的输出阻抗很大，反馈网络可以直接连接在电压误差放大器的输出端ITH和地之间，如图1(b)所示。目前，在高频DCDC变换器中，跨导型放大器应用更多。

注意的是：对于跨导型放大器，分压电阻器下面的电阻参入反馈环。对于通用放大器，分压电阻器下面的电阻不参入反馈环，仅仅用于误差放大器输入端的电流偏置。

            图1：峰值电流模式的控制系统图

   

  (a) 通用放大器反馈网络     (b) 跨导型放大器反馈网络

          图2：放大器反馈网络

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1.1 常规峰值电流模式工作过程

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峰值电流模式工作过程如下：

（1）时钟信号来的时候，上管开通，开始一个开关周期。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。电感的电流继续线性上升，电流检测电阻的电压信号也上升，当此电压上升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，上管关断。

（2）上管关断后，电感开始去磁，电流线性下降，到下一个开关周期开始的时钟同步信号到来，如此反复，如图3所示。

1.2 常规峰值电流模式调节工作原理

峰值电流模式调节工作原理如下：

（1）当输出负载增大时，输出电压降低，因此，Vc增大，线性增加的电感电流只有升高到更大的值才能使PWM电流比较器翻转，开关管导通的时间增长，占空比增加，输入功率增加，因此输出电压增加，当输出电压增加到调节的范围内时，系统保持平衡。

（2）当输出负载降低时，输出电压升高，因此，Vc降低，线性增加的电感电流在较低的值就可以使PWM电流比较器翻转，开关管导通的时间缩短，占空比降低，输入功率降低，因此输出电压降低，当输出电压降低到调节的范围内时，系统保持平衡。

                  图3：峰值电流模式的控制波形

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注意到：峰值电流模式中，外环的输出电压的电压误差放大信号为内环的电流信号的给定信号，因此内环的电流信号由外环的电压信号控制，由此可见，峰值电流模式的功率级实际上相当于一个电压控制的电流源，电流内环仅仅控制功率电感的电流的动态变化，而电压外环仅仅控制输出电压的动态变化，电感相当于在控制环路之外，形成一个单极点控制系统。

在峰值电流模式中，系统检测峰值电流，并在设定的峰值电流点关断，与平均电感电流大小变化相一致，但是峰值并不能和平均电感电流大小相对应，在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流可能对应着不同的平均电感电流，而平均电感电流才真正决定输出电压值。   

DCDC变换器可以工作于电流连续模式或是电流非连续模式，电流连续模式CCM或是电流非连续模式DCM主要是针对于电感的电流，在每一个开关周期开始前，电感的电流为0，则为非连续模式，否则就是连续模式。

对于电压模式的变换器,在电感电流连续时CCM，它以2极点系统方式工作，在电感电流非连续时DCM，则以单极点方式工作，所以两者需要不同的补偿电路。

对于电流模式,无论是电感电流连续CCM还是电感电流非连续DCM，都是以单极点方式工作，功率级的传递函数非常类似，即使是负载电流大幅的变动，动特性本身却不会有大的变化，所以工作的负载范围非常宽，而且补偿电路也很简单。   

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1.3 常规峰值电流模式优缺点

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峰值电流模式的优点：

（1）内在固有的逐个脉冲限流功能，具有自动磁通平衡功能。

（2）电感电流真正的软起动特性。

（3）精确的电流检测环。

（4）峰值电流没有经过滤波取平均值，输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应速度快，动态响应快。

（5）一阶的系统，容易设计反馈环，反馈补偿简单，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，补偿管脚只用简单的RC网络就能对输出负载瞬态做出稳定的响应。

（6）控制环与输入电压无关，内在的自动电压前馈，系统具有好的线性调整性能。

（7）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。

（8）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。

（9）输出允许用陶瓷电容，体积更小，省空间、成本。

      峰值电流模式的缺点：

（1）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，需要斜坡补偿。

（2）存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差。

（3）闭环响应不如平均电流模式控制理想。

（4）系统会受到电流噪声的干扰而误动作，对噪声敏感，抗噪声性能差。

（5）电路拓扑受限制，对多路输出电源的交互调节性能不好。

（6）双反馈环，需要额外的一个电流放大器，而且电流放大器检测高电压母线上的电流时，需要高共模输入电压的差分放大器。

（7）电流检测有延时。为了滤除电流噪声，需要前沿消隐时间LEB。在低压大电流输出时，如果前沿消隐时间大于系统的最小导通时间，脉宽限流功能不能正常工作，从而导致电感电流走飞run away而饱和。在软起动过程中，也可能出现这样的问题。

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2 固定关断时间的峰值电流模式工作原理及特点

固定关断时间电流控制模式是一种变化的峰值电流模式，也是双环控制系统，但是，这种模式工作在变频控制方式，如图1所示。

                图1：固定关断时间模式的控制系统图

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固定关断时间控制模式工作过程如下：
    （1）定时器输出高电平，开关管导通，电感的电流线性增加，电流检测电阻的电压信号经电流放大器放大后，与电压误差放大器的输出电压Vc进行比较，此时，由于电流放大器的输出信号Vs小于Vc，比较器输出不会翻转，定时器维持高电平输出，开关管导通，电感的电流继续线性增加，当Vs大于Vc时，比较器翻转。

（2）比较器翻转后，比较器输出高电压信号同时送出给定时器和触发器，开关管关断，电感的电流线性降低，同时内部的定时电路启动。

（3）定时器延时一个固定的关断时间后，送出高电平信号，开关管又开通，进入下一个周期，如此反复。

固定关断时间控制模式的特点是结构简单，但系统也是变频控制。

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3 相加峰值电流模式的工作原理及特点

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相加峰值电流模式控制也是一种变化的、具有双环控制系统的峰值电流模式，外环是电压环，输出电压经分压电阻器分压后与参考电压进行比较，然后经电压误差放大器放大，如图2所示。图中为通用型放大器，电压误差放大器的输出信号为Vc。

电流检测信号经电流放大器K放大后输出为Vs，Vs 和Vc信号由加法器作加法，得到的输出为Ve,Ve=Vs-Vc，Ve值连接到PWM比较器的反相端，与PWM比较器同相端的参考电压VIR进行比较。

相加峰值电流模式工作过程如下：

（1）振荡器输出脉冲信号为高电平，开关管导通，开始一个开关周期。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。

（2）电感电流继续线性上升，电流检测电阻的电压信号也上升，当Ve的电压高于VIR时，电流比较器的输出翻转，从低电平翻转为高电压，开关管关断，电感开始去磁，电流线性下降，到下一个开关周期开始的时钟同步信号到来，如此反复。

                             图2：相加电流模式的控制系统图

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调节工作原理如下：

（1）当输出负载增大时，输出电压降低，因此，Vc增大，Vs-Vc降低，Vs-Vc与VIR比较，由于Vs-Vc的值降低，使开关管关断的时刻向后延迟，导通时间增大，占空比增加，输入功率增加，因此输出电压增加。当输出电压增加到调节的范围内时，系统保持平衡。

（2）当输出负载降低时，输出电压升高，因此，Vc降低，Vs-Vc增大，Vs-Vc与VIR比较，由于Vs-Vc的值增大，使开关管关断的时刻提前，导通时间减小，占空比减小，输入功率降低，因此输出电压降低。当输出电压降低到调节的范围内时，系统保持平衡。

相加电流模式的优点和缺点与峰值电流模式相同

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fanichicl

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