電流模式控制

在20世紀(jì)80年代早期，引入了一種新的控制算法，將主控對(duì)象從輸出電壓變?yōu)殡姼须娏?。輸出電壓仍然是穩(wěn)定的，但是脈寬調(diào)制PWM是為了調(diào)節(jié)電感電流，以保持穩(wěn)壓。雖然增加了控制的復(fù)雜度，但其好處是很明顯的，其中最值得注意的是，由于電流天然地被限制了，現(xiàn)在可以將完整的控制器集成在非常便宜的8腳IC封裝中。其控制框圖和工作方式如下圖所示。

可以看出，電流模式架構(gòu)似乎與電壓模式架構(gòu)具有完全相同的功能模塊，但是在這種情況下，振蕩器僅決定開關(guān)頻率，通過將開關(guān)管鎖存導(dǎo)通來開啟PWM脈沖。這里仍然有一個(gè)模擬誤差放大器產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，用于使輸出電壓跟隨內(nèi)部參考，一個(gè)比較器通過比較誤差信號(hào)和斜坡波形來提供脈寬調(diào)制PWM。但是區(qū)別在于，斜坡信號(hào)現(xiàn)在變成了輸出電感電流的模擬信號(hào)，波形圖中的信號(hào)標(biāo)記為V CS 。該波形的平均值代表了平均直流輸出電流，但頂部的斜坡波形是由電感和輸入電壓確定的瞬時(shí)電流。波形的峰值與誤差放大器的輸出相等時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷。

請(qǐng)注意，現(xiàn)在出現(xiàn)了兩個(gè)反饋控制環(huán)路，一個(gè)來自于輸出電壓決定電壓誤差，另一個(gè)來自于輸出電感決定電感電流，其中之一或兩者都可以改變開關(guān)脈沖寬度。電流信號(hào)可以通過多種方法得到，它也可以在電路中不同位置進(jìn)行檢測(cè)，但最常見的是，對(duì)于非隔離拓?fù)洌诠β驶芈分羞M(jìn)行檢測(cè)（如上圖所示），而在變壓器耦合的拓?fù)渲?，則在開關(guān)管串聯(lián)位置處進(jìn)行電流檢測(cè)。

電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 固定頻率工作，但可以同步外部時(shí)鐘；
• 通過鉗位誤差放大器輸出電壓來實(shí)現(xiàn)逐周期電流限制；
• 通過控制電感電流，可以有效地消除電感極點(diǎn)，使電路更容易補(bǔ)償，整體環(huán)路帶寬明顯高于等效的電壓模式架構(gòu)；
• 電感電流斜率隨著輸入電壓的增加而增加，所以存在電壓前饋?zhàn)饔茫瑢?duì)輸入電壓變化的響應(yīng)是瞬時(shí)的;
• 多個(gè)電源模塊可以并聯(lián)，具有良好的負(fù)載均流效果。

但也還有其他一些缺陷：

• 必須注意消除電流信號(hào)中的電源開關(guān)噪聲，防止其注入PWM比較器；
• 特別地，在控制信號(hào)中，一般會(huì)存在一個(gè)前沿電流尖峰，這需要消除掉，這在控制低于最小脈沖寬度時(shí)存在限制；
• 存在兩個(gè)反饋回路，難以分析;
• 由于電路延遲，無法在低于最小脈沖寬度內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流控制，可能會(huì)出現(xiàn)較高的電流限值“拖尾”;
• 當(dāng)電源占空比超過50%時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定，需要將斜率補(bǔ)償疊加到電感電流信號(hào)上。

平均電流模式控制

剛剛討論的電流模式架構(gòu)還有另外一個(gè)問題，即控制是基于電感電流波形的峰值，而負(fù)載端看到的是電感的平均電流。雖然這會(huì)在控制算法中引入非線性，但對(duì)于固定輸出電壓調(diào)節(jié)器而言，這一般不是問題。然而如果需要大范圍下進(jìn)行電流控制，就會(huì)出現(xiàn)問題。其中一種應(yīng)用是有源功率因數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)器（APFC)，它要求在整個(gè)輸入線電壓周期內(nèi)線性地控制電流。在這些條件下，電流環(huán)需要更高的增益，因此可能需要下圖所示的結(jié)構(gòu)圖。

這里的PWM是通過一個(gè)固定的斜坡波形產(chǎn)生的，這和電壓模式控制器中一樣，但是現(xiàn)在這個(gè)比較是與一個(gè)模擬電流放大器的輸出相比較，而模擬電流放大器是結(jié)合了電壓和電流反饋環(huán)路。由于現(xiàn)在要控制的是平均電感電流，需要在信號(hào)能夠包含完整電感電流波形的地方來檢測(cè)電流信號(hào)?，F(xiàn)在，我們就可以完全線性控制輸出電流，而需要付出的代價(jià)就是要增加一個(gè)高增益放大器（并自帶補(bǔ)償），這會(huì)導(dǎo)致成本很高。因此除了真正需要的場(chǎng)合之外，這種控制方案很少見到和用到。峰值與平均值控制的比較如下圖所示。

谷底電流模式控制

為了緩解峰值電流模式中最小占空比的限制，谷底電流檢測(cè)引入了前沿調(diào)制，這樣開關(guān)管在導(dǎo)通之前就完成了脈寬的確定。結(jié)果就是控制方式容許更大的噪聲，而且能對(duì)較大降壓比所需的窄脈沖進(jìn)行精確控制。這種架構(gòu)觀察的是電感電流波形的下降過程，通常通過在續(xù)流管中進(jìn)行測(cè)量并采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)節(jié)，所得斜坡電壓與反饋電壓誤差信號(hào)進(jìn)行比較。另一個(gè)特點(diǎn)是增加一個(gè)恒定導(dǎo)通時(shí)間的開關(guān)激活電路，這樣就不再需要斜率補(bǔ)償，該電路作為輸入電壓的函數(shù)來進(jìn)行導(dǎo)通時(shí)間調(diào)節(jié)。這個(gè)控制的簡(jiǎn)化框圖如下圖所示。