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自從二十世紀(jì)七十年代后期開(kāi)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(yīng)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(kāi)關(guān)式電源供應(yīng)器都采用較熟悉的電壓模式控制方法。對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，電流模式的控制方法屬于高深的技術(shù)，沒(méi)有必要去深入鉆研。他們有這種想法，實(shí)在令人非常惋惜，因?yàn)殡娫垂⿷?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)采用何種控制結(jié)構(gòu)。下文會(huì)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(hào)，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(jiǎn)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(huì)不停感測(cè)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(huì)一直輸出高電平均（功率開(kāi)關(guān)開(kāi)啟）。一旦兩者處于同一水平，PWM比較器便會(huì)降低輸出，并將開(kāi)關(guān)關(guān)閉，然后利用固定頻率時(shí)鐘信號(hào)設(shè)定RS鎖定值，從面啟動(dòng)下一周期的操作。按照這個(gè)操作方式，利用控制電壓便可準(zhǔn)確控制電感器的峰值電流。表面上，因?yàn)殡娏鳝h(huán)路的出現(xiàn)，電感器充當(dāng)一個(gè)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(jiǎn)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(duì)轉(zhuǎn)換器的性能有何影響。深入分析小信號(hào)的表現(xiàn)有助我們對(duì)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(hào)結(jié)構(gòu)框圖。這個(gè)控制電路設(shè)有兩個(gè)反饋環(huán)路：外側(cè)的反饋環(huán)路(TV)負(fù)責(zé)將電壓信息送回，而內(nèi)側(cè)的反饋環(huán)路(Ti)則負(fù)責(zé)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(bǔ)償控制電壓。 電流環(huán)路(Ti)是電流模式控制結(jié)構(gòu)所獨(dú)有的。控制電壓(VC)輸入電流環(huán)路之后，會(huì)與不斷被感測(cè)的電感電流互相比較，然后據(jù)此設(shè)定占空比。這個(gè)占空比的信號(hào)會(huì)傳送至功率電源級(jí)(例如開(kāi)關(guān)元件、電感器及輸出電容器)，以便電源供應(yīng)級(jí)產(chǎn)生相應(yīng)的電感電流及輸出電壓。然后，電流模式控制系統(tǒng)再通過(guò)感測(cè)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(huì)出現(xiàn)以下看似矛盾的情況：第二級(jí)兩個(gè)L及COUT元件產(chǎn)生單個(gè)拐點(diǎn)。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(shí)際效果有點(diǎn)像利用電流源為輸出電容器及負(fù)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(jí)只有一個(gè)拐點(diǎn)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(jiǎn)圖(輸出電壓及電感電流同時(shí)被感測(cè))。 電流環(huán)路不會(huì)只在低頻率操作時(shí)才對(duì)功率級(jí)有影響。根據(jù)有關(guān)電流環(huán)路的小信號(hào)電流干擾的分析顯示，電流環(huán)路與離散時(shí)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(fù)雜，往往是取樣(開(kāi)關(guān))頻率的很多倍。取樣及保持頻率的次級(jí)近似值較為準(zhǔn)確，其準(zhǔn)確度高達(dá)開(kāi)關(guān)頻率的一半，而理論上這是電源供應(yīng)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(huì)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(diǎn)是極佳線路調(diào)整性，簡(jiǎn)單的補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)較，非常好的大負(fù)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(dòng)所引起的輸出電壓波動(dòng)，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(jí))。以電流模式結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，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(huì)受VIN這個(gè)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(huì)較差。 電流模式結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償電路可以采用非常簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，因?yàn)榭刂浦凛敵龅膫魉秃瘮?shù)只有一個(gè)低頻的拐點(diǎn)，但相較之下，電壓模式結(jié)構(gòu)則有雙拐點(diǎn)(參看圖3)，使電流模式結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)額外的90°相位漂移。出現(xiàn)這個(gè)不同現(xiàn)象的原因非常簡(jiǎn)單，因?yàn)殡娏鳝h(huán)路負(fù)責(zé)監(jiān)察及控制電感電流。以降壓轉(zhuǎn)換器為例來(lái)說(shuō)，功率級(jí)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(fù)載提供供電，因此只產(chǎn)生一個(gè)低頻拐點(diǎn)。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(jí)會(huì)產(chǎn)生雙拐點(diǎn)。由于功率級(jí)在低頻操作時(shí)只有一個(gè)拐點(diǎn)，因此有關(guān)補(bǔ)償只需直流增益、單個(gè)滾降拐點(diǎn)及相位抬升的一個(gè)零點(diǎn)(I類或滯后補(bǔ)償)，而且只需利用誤差信號(hào)放大器、單個(gè)電容器及電阻器便可輕易作出補(bǔ)償。以簡(jiǎn)單的補(bǔ)償電路來(lái)說(shuō)，我們可以將補(bǔ)償零放在恰當(dāng)?shù)奈恢茫屟a(bǔ)償零點(diǎn)扺銷功率級(jí)的拐點(diǎn)，以便TV的開(kāi)環(huán)反應(yīng)可以達(dá)到–20dB/Dec的滾降。 補(bǔ)償電路通常設(shè)于功率級(jí)附近，以確保可以發(fā)揮理想的動(dòng)態(tài)性能。但每當(dāng)轉(zhuǎn)換器在CCM(連續(xù)導(dǎo)電模式)及DCM(非連續(xù)導(dǎo)電模式)之間切換時(shí)，功率級(jí)的頻率反應(yīng)也會(huì)隨著改變。若采用CCM，電感電流是連續(xù)的，而且不會(huì)接近零。但若采用DCM，電感電流是斷續(xù)的，而且在開(kāi)關(guān)進(jìn)行時(shí)的某一時(shí)段內(nèi)會(huì)變?yōu)榱恪ｋS著負(fù)載電流的下降，轉(zhuǎn)換器會(huì)在下降軌道上的某一點(diǎn)由CCM轉(zhuǎn)為DCM。若采用電壓模式的控制，功率級(jí)會(huì)在CCM與DCM之間的邊界，有2個(gè)和1個(gè)拐點(diǎn)的變化。對(duì)于第一級(jí)及次級(jí)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要優(yōu)化的補(bǔ)償電路極為不同。電流模式結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)論采用DCM還是CCM，功率級(jí)的傳送函數(shù)都非常相似(在低頻至中頻范圍內(nèi)屬一級(jí))。因此，轉(zhuǎn)換器采用DCM及CCM驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載時(shí)，其動(dòng)態(tài)性能不會(huì)有大幅度的波動(dòng)。 但電流環(huán)路的另一優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)置的電流限幅，而且無(wú)需為感測(cè)電感電流而額外加設(shè)電路，因?yàn)殡娏鞣答伃h(huán)路本身也有電感電流。 總結(jié) 電源供應(yīng)器的電流模式控制方法本來(lái)是很難加以分析的，因?yàn)殡娏髂Ｊ娇刂葡到y(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(diǎn)便有助我們精簡(jiǎn)這種控制電路的設(shè)計(jì)，也令我們對(duì)電流模式結(jié)構(gòu)有一個(gè)較為感性的認(rèn)識(shí)。電流反饋環(huán)路有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是電壓模式控制器所沒(méi)有的。例如，線路調(diào)整效果較好，補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，CCM與DCM在性能上也沒(méi)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(yīng)器的性能。 |
