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自從二十世紀七十年代后期開始，電流模式的控制方法便被電源供電采用。雖然這種控制方法已應用了二十多年，但一般的業(yè)者仍然不大清楚它的操作方式及特性。大部分工程師只知道開關(guān)式電源供應器都采用較熟悉的電壓模式控制方法。對于他們來說，電流模式的控制方法屬于高深的技術(shù)，沒有必要去深入鉆研。他們有這種想法，實在令人非常惋惜，因為電源供應系統(tǒng)設(shè)計工程師最低限度必須知道電壓模式控制與電流模式控制的基本分別，才真正明白在什么情況下應采用何種控制結(jié)構(gòu)。下文會深入討論電流模式的控制方法。 圖1：電流模式控制器的控制電路結(jié)構(gòu)框圖 電流模式控制系統(tǒng)除了設(shè)有電壓反饋電路之外，還設(shè)有電感電流反饋環(huán)路。電流模式控制轉(zhuǎn)換器利用電感電流以及輸出電壓作為誤差輸入信號，調(diào)節(jié)PWM（脈沖寬度調(diào)制器）。圖1顯示峰值電流模式控制系統(tǒng)的電路簡圖，圖中的峰值電感電流與輸出電壓都由控制電路控制。系統(tǒng)會不停感測電感電流，并將其大小與視為控制電壓(VC)的輸出電壓誤差加以比較。 在電感電流相等于控制電壓前，PWM比較器會一直輸出高電平均（功率開關(guān)開啟）。一旦兩者處于同一水平，PWM比較器便會降低輸出，并將開關(guān)關(guān)閉，然后利用固定頻率時鐘信號設(shè)定RS鎖定值，從面啟動下一周期的操作。按照這個操作方式，利用控制電壓便可準確控制電感器的峰值電流。表面上，因為電流環(huán)路的出現(xiàn)，電感器充當一個電流源，并表現(xiàn)出許多電流模式控制系統(tǒng)的特色。 雖然圖2的電路簡圖清楚顯示占空比是由電感電流及輸出電壓得到，但我們很難估算占空比對轉(zhuǎn)換器的性能有何影響。深入分析小信號的表現(xiàn)有助我們對電流模式控制的重要特性建立初步的了解。 圖1顯示的是峰值電流模式控制的小信號結(jié)構(gòu)框圖。這個控制電路設(shè)有兩個反饋環(huán)路：外側(cè)的反饋環(huán)路(TV)負責將電壓信息送回，而內(nèi)側(cè)的反饋環(huán)路(Ti)則負責將電流信息送回。電壓環(huán)路的反饋方式與電壓模式控制系統(tǒng)大致相同，例如利用輸出電壓誤差產(chǎn)生補償控制電壓。 電流環(huán)路(Ti)是電流模式控制結(jié)構(gòu)所獨有的。控制電壓(VC)輸入電流環(huán)路之后，會與不斷被感測的電感電流互相比較，然后據(jù)此設(shè)定占空比。這個占空比的信號會傳送至功率電源級(例如開關(guān)元件、電感器及輸出電容器)，以便電源供應級產(chǎn)生相應的電感電流及輸出電壓。然后，電流模式控制系統(tǒng)再通過感測增益Ri將電感電流回饋至電流環(huán)路，以便再與VC比較。 若電流環(huán)路已關(guān)閉，便會出現(xiàn)以下看似矛盾的情況：第二級兩個L及COUT元件產(chǎn)生單個拐點。我們可以利用反饋理論合理解釋這種現(xiàn)象。利用反饋電路控制電感電流，其實際效果有點像利用電流源為輸出電容器及負載饋送電流。因此，若頻率低于電流環(huán)路的帶寬，電流模式功率級只有一個拐點由COUTIIRLOAD阻抗決定。 圖2：采用電流模式控制方法的降壓轉(zhuǎn)換器的電路簡圖(輸出電壓及電感電流同時被感測)。 電流環(huán)路不會只在低頻率操作時才對功率級有影響。根據(jù)有關(guān)電流環(huán)路的小信號電流干擾的分析顯示，電流環(huán)路與離散時間取樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)極為相似。這類取樣及保持系統(tǒng)的雙極較為復雜，往往是取樣(開關(guān))頻率的很多倍。取樣及保持頻率的次級近似值較為準確，其準確度高達開關(guān)頻率的一半，而理論上這是電源供應器帶寬的極限。 波幅(dB)頻率(Hz) 相位(°)頻率(Hz) 圖3：電壓模式及電流模式轉(zhuǎn)換器的控制至輸出波德圖 (電流模式轉(zhuǎn)換器會出現(xiàn)額外的90°相位) 采用電流模式的控制方法可以在幾方面提升系統(tǒng)的性能。電流模式控制的主要優(yōu)點是極佳線路調(diào)整性，簡單的補償電路設(shè)計較，非常好的大負載變化范圍，固有每一周期的電流限流。線路穩(wěn)壓是指由輸入電壓變動所引起的輸出電壓波動，波幅受控制至輸出傳送函數(shù)的增益所影響(圖1的功率級)。以電流模式結(jié)構(gòu)來說，控制至輸出傳送函數(shù)的增益不受VIN的控制，因此線路有很好的穩(wěn)壓效果。相比之下，若采用電壓模式結(jié)構(gòu)，控制至輸出傳送函數(shù)便會受VIN這個因素影響。換言之，增益與VIN成正比，因此線路的穩(wěn)壓效果會較差。 電流模式結(jié)構(gòu)的補償電路可以采用非常簡單的設(shè)計，因為控制至輸出的傳送函數(shù)只有一個低頻的拐點，但相較之下，電壓模式結(jié)構(gòu)則有雙拐點(參看圖3)，使電流模式結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)額外的90°相位漂移。出現(xiàn)這個不同現(xiàn)象的原因非常簡單，因為電流環(huán)路負責監(jiān)察及控制電感電流。以降壓轉(zhuǎn)換器為例來說，功率級可以執(zhí)行近似電流源的功能，可為并行連接的輸出電容器及負載提供供電，因此只產(chǎn)生一個低頻拐點。但電壓模式控制系統(tǒng)的電感電流并不受控制，而且由于LC濾波器的緣故，功率級會產(chǎn)生雙拐點。由于功率級在低頻操作時只有一個拐點，因此有關(guān)補償只需直流增益、單個滾降拐點及相位抬升的一個零點(I類或滯后補償)，而且只需利用誤差信號放大器、單個電容器及電阻器便可輕易作出補償。以簡單的補償電路來說，我們可以將補償零放在恰當?shù)奈恢茫屟a償零點扺銷功率級的拐點，以便TV的開環(huán)反應可以達到–20dB/Dec的滾降。 補償電路通常設(shè)于功率級附近，以確保可以發(fā)揮理想的動態(tài)性能。但每當轉(zhuǎn)換器在CCM(連續(xù)導電模式)及DCM(非連續(xù)導電模式)之間切換時，功率級的頻率反應也會隨著改變。若采用CCM，電感電流是連續(xù)的，而且不會接近零。但若采用DCM，電感電流是斷續(xù)的，而且在開關(guān)進行時的某一時段內(nèi)會變?yōu)榱恪ｋS著負載電流的下降，轉(zhuǎn)換器會在下降軌道上的某一點由CCM轉(zhuǎn)為DCM。若采用電壓模式的控制，功率級會在CCM與DCM之間的邊界，有2個和1個拐點的變化。對于第一級及次級的系統(tǒng)來說，需要優(yōu)化的補償電路極為不同。電流模式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是無論采用DCM還是CCM，功率級的傳送函數(shù)都非常相似(在低頻至中頻范圍內(nèi)屬一級)。因此，轉(zhuǎn)換器采用DCM及CCM驅(qū)動較大負載時，其動態(tài)性能不會有大幅度的波動。 但電流環(huán)路的另一優(yōu)點是內(nèi)置的電流限幅，而且無需為感測電感電流而額外加設(shè)電路，因為電流反饋環(huán)路本身也有電感電流。 總結(jié) 電源供應器的電流模式控制方法本來是很難加以分析的，因為電流模式控制系統(tǒng)本身就采用多環(huán)路的結(jié)構(gòu)。但電流環(huán)路可將電感器變?yōu)槭芸仉娏髟矗靼走@一點便有助我們精簡這種控制電路的設(shè)計，也令我們對電流模式結(jié)構(gòu)有一個較為感性的認識。電流反饋環(huán)路有一些獨特的優(yōu)點是電壓模式控制器所沒有的。例如，線路調(diào)整效果較好，補償電路的設(shè)計較為簡單，CCM與DCM在性能上也沒有太大的分別，而且結(jié)構(gòu)本身內(nèi)置了電流限幅功能。許多的例子顯示電流模式的控制方式可以提高電源供應器的性能。 |
