平均电流、滞回电流模式的工作原理及特点
mouser 2021-02-23

平均电流模式的工作原理及特点

图1为平均电流模式的控制系统图,K为检测电流放大器,CEA为电流误差放大器,VEA为电压误差放大器。输出电压通过分压电阻器接到电压误差放大器的反相端,VEA同相端接参考电压Vref,输出的电压误差信号经VEA放大后输出,电压值为Vc。Vc连接到电流误差放大器CEA的同相端,输出电流信号由Rs取样,经电流放大器K放大后,输出到电流误差放大器CEA的反相端,电流信号和输出电压误差信号在电流误差放大器CEA内进行比较然后放大,输出为Ve,Ve送到PWM比较器的反相端,与PWM比较器的同相端的锯齿波进行比较,输出PWM关断信号。振荡电路产生PWM的开通时钟信号,同时输出信号给锯齿波发生器以产生相应的锯齿波。

“”图1:平均电流模式的控制系统图

电流信号为向上的锯齿波,反相放大后,Ve为向下斜坡信号,Ve向下斜坡信号与锯齿波向上斜坡信号相等时,PWM信号的关断,如图2所示。当输入电压的增加,电感电流信号上升的斜率提高,因此Ve的下降斜率更陡峭,从而使占空比变窄。电压外环用于补偿由负载变化引起的输出电压变化,由于电感电流由VEA处理,系统表现为一个单极点响应,从而简化了电压补偿环路。

峰值电流模式中,电流检测信号直接与电压误差信号进行比较,电流检测信号没有经过电流放大器的处理,因此峰值电流模式中,容易受到电流信号前沿尖峰噪声的干扰。而平均电流模式中,输出电流的波形带有锯齿波分量,与电压误差信号进行比较放大时,电流误差放大器CEA的外接的补偿网络会对电流信号做平均化的处理,从而得到代表跟踪平均电流的误差信号控制PWM信号的关断。此外,高频的电流信号前沿尖峰噪声会被滤除,PWM比较器之后的SR锁存器可避免由噪声引起的信号跳变,从而消除了由于噪声尖峰而过早关断MOSFET的可能。

由于Ve为向下的斜坡,这也意味着在反馈环中加入了一定的斜坡补偿,从而避免次谐波振荡,当占空比超过50%时不需要斜坡电压补偿。

由图2可知,若Ve上升的斜率大于三角锯齿波信号的斜率,系统失去交点将无法平衡,会发生谐振和不稳定,因此要控制电感电流的下降斜率,从而保证Ve上升的斜率必须小于三角锯齿波信号的斜率,同时Ve信号的值也不能超过斜坡电压。

“”图2:平均电流模式的控制波形

电感电流的下降的斜率为:
di/dt = L*Vo

Ve上升的斜率为:
K*Rs*GCEA*Vo/L

Rs为电流检测电阻,K为电流放大器增益,GCEA为CEA的增益,Vs为三角锯齿波信号幅值,fs为开关周期。

若CEA是具有较高的输出阻抗的跨导放大器,则补偿的RC网络可以直接连接到CEA的输出端和地之间,
GCEA = Gm*RG

Gm为跨导放大器的跨导,RG为跨导放大器直流输出阻抗,即跨导放大器输出端所接RC补偿网络中的电阻。CEA的直流增益应该尽可能高,以精确处理直流输出电流。对于直流,补偿网络中的电容相当于开路,CEA直流增益最大。

平均电流模式控制的优点:

(1)平均电感电流能够高度精确地跟踪电流信号。
(2)不需要斜坡补偿。
(3)优越的抗噪声性能。
(4) 适合于任何电路拓扑。
(5)容易调试。
(6)易于实现均流。
(7)高di/dt动态响应,适合低压大电流输出应用。

平均电流模式控制的缺点:

(1)电流放大器在开关频率处的增益有最大限制。
(2)双闭环放大器带宽、增益等配合参数,设计调试复杂。

2 滞回电流模式的工作原理及特点

图3为滞回电流模式的控制原理图,滞回电流模式也是双环控制,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,图中为跨导型放大器,电压误差放大器的输出信号为Vc,Vc连接到比较器A1的同相端和A2的反相端。A1比较器控制开关管的开通,A2比较器控制开关管的关断。

电流检测信号经电流放大器K放大后输出为Vs,Vs连接到A1的反相端,同时Vs-IR*RR信号值连接到A1的同相端。

“”图3:滞回电流模式的控制系统图

下面分析其工作过程:

(1)若初始的状态是开关管导通,电感的电流线性上升,但是此时,Vs-IR*RR电压低于Vc,Vs也电压低于Vc,A2输出低电平,A1输出高电平,控制逻辑电路输出上管的驱动信号,开关管导通。

(2)电感电流继续上升,Vs的电压上升,当Vs-IR*RR电压低于Vc,同时,Vs电压高于Vc,此时,A2输出低电平,A1也输出低电平,控制逻辑电路保持输出上管的驱动信号,上开关管保持导通。

(3)当电感电流继续上升,使Vs-IR*RR电压高于Vc,Vs电压也高于Vc,此时,A2输出高电平,A1输出低电平,控制逻辑电路关断上管的驱动信号,上开关管关断。

(4)开关管关断后,电感电流下降,使Vs-IR*RR电压低于Vc,Vs电压高于Vc,此时,A2输出低电平,A1输出低电压,控制逻辑电路保持开关管关断。

(5)电感电流继续下降,使Vs-IR*RR电压低于Vc,Vs电压也低于Vc,此时,A2输出低电平,A1输出高电压,控制逻辑电路输出上管的驱动信号,开关管导通,进入下一个开关周期,如此反复。
由上述原理可见,滞回电流模式为变频控制,电流环产生二个检测电压信号。

滞回电流模式的优点:

(1)不需要斜坡补偿。
(2)稳定性好,不会因为噪声产生不稳定的振荡。

滞回电流模式的缺点:

(1)需要对电感电流全周期的检测和控制。
(2)变频控制容易产生变频噪声,电感设计难以优化。

“”图4:滞回电流模式的控制波形 
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