最近一些朋友回复作者,每一次的内容可否少一些,这样可以有一个消化的过程,学习的效率更高一些,非常感谢大家的意见。
所以,本期主题将分为4次来讲述:第1次讲述常规的峰值电流模式、第2次讲述固定关断时间峰值电流模式和相加峰值电流模式、第3次讲述平均电流模式和滞回电流模式、第4次讲述谷点电流模式的工作原理及其特点。
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
2 常规峰值电流模式工作过程
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。
3 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
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。
4 常规峰值电流模式优缺点
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。
后面讲解主题:
-- 固定关断时间电流模式、相加峰值电流模式、平均电流模式、滞回电流模式、谷点电流模式的工作原理及特点
-- 电流模式各种电流取样方式对结构影响,电压模式和电流模式相互转化
讲完这些主题后,我们将再回到MOSFET,论述理解功率MOSFET的DATASHEET数据表中的参数,以及这些参数在实际应用中应该注意的问题、MOSFET常见的损坏模式及分析,内容很多,敬请期待!!!
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