开关电源中控制算法（二）

电流模式控制

在20世纪80年代早期，引入了一种新的控制算法，将主控对象从输出电压变为电感电流。输出电压仍然是稳定的，但是脉宽调制PWM是为了调节电感电流，以保持稳压。虽然增加了控制的复杂度，但其好处是很明显的，其中最值得注意的是，由于电流天然地被限制了，现在可以将完整的控制器集成在非常便宜的8脚IC封装中。其控制框图和工作方式如下图所示。

可以看出，电流模式架构似乎与电压模式架构具有完全相同的功能模块，但是在这种情况下，振荡器仅决定开关频率，通过将开关管锁存导通来开启PWM脉冲。这里仍然有一个模拟误差放大器产生一个误差信号，用于使输出电压跟随内部参考，一个比较器通过比较误差信号和斜坡波形来提供脉宽调制PWM。但是区别在于，斜坡信号现在变成了输出电感电流的模拟信号，波形图中的信号标记为V CS 。该波形的平均值代表了平均直流输出电流，但顶部的斜坡波形是由电感和输入电压确定的瞬时电流。波形的峰值与误差放大器的输出相等时，开关管关断。

请注意，现在出现了两个反馈控制环路，一个来自于输出电压决定电压误差，另一个来自于输出电感决定电感电流，其中之一或两者都可以改变开关脉冲宽度。电流信号可以通过多种方法得到，它也可以在电路中不同位置进行检测，但最常见的是，对于非隔离拓扑，在功率回路中进行检测（如上图所示），而在变压器耦合的拓扑中，则在开关管串联位置处进行电流检测。

电流模式控制的优点包括：

• 固定频率工作，但可以同步外部时钟；
• 通过钳位误差放大器输出电压来实现逐周期电流限制；
• 通过控制电感电流，可以有效地消除电感极点，使电路更容易补偿，整体环路带宽明显高于等效的电压模式架构；
• 电感电流斜率随着输入电压的增加而增加，所以存在电压前馈作用，对输入电压变化的响应是瞬时的;
• 多个电源模块可以并联，具有良好的负载均流效果。

但也还有其他一些缺陷：

• 必须注意消除电流信号中的电源开关噪声，防止其注入PWM比较器；
• 特别地，在控制信号中，一般会存在一个前沿电流尖峰，这需要消除掉，这在控制低于最小脉冲宽度时存在限制；
• 存在两个反馈回路，难以分析;
• 由于电路延迟，无法在低于最小脉冲宽度内实现电流控制，可能会出现较高的电流限值“拖尾”;
• 当电源占空比超过50%时，可能会导致电路不稳定，需要将斜率补偿叠加到电感电流信号上。

平均电流模式控制

刚刚讨论的电流模式架构还有另外一个问题，即控制是基于电感电流波形的峰值，而负载端看到的是电感的平均电流。虽然这会在控制算法中引入非线性，但对于固定输出电压调节器而言，这一般不是问题。然而如果需要大范围下进行电流控制，就会出现问题。其中一种应用是有源功率因数预调节器（APFC)，它要求在整个输入线电压周期内线性地控制电流。在这些条件下，电流环需要更高的增益，因此可能需要下图所示的结构图。

这里的PWM是通过一个固定的斜坡波形产生的，这和电压模式控制器中一样，但是现在这个比较是与一个模拟电流放大器的输出相比较，而模拟电流放大器是结合了电压和电流反馈环路。由于现在要控制的是平均电感电流，需要在信号能够包含完整电感电流波形的地方来检测电流信号。现在，我们就可以完全线性控制输出电流，而需要付出的代价就是要增加一个高增益放大器（并自带补偿），这会导致成本很高。因此除了真正需要的场合之外，这种控制方案很少见到和用到。峰值与平均值控制的比较如下图所示。

谷底电流模式控制

为了缓解峰值电流模式中最小占空比的限制，谷底电流检测引入了前沿调制，这样开关管在导通之前就完成了脉宽的确定。结果就是控制方式容许更大的噪声，而且能对较大降压比所需的窄脉冲进行精确控制。这种架构观察的是电感电流波形的下降过程，通常通过在续流管中进行测量并采用适当的信号调节，所得斜坡电压与反馈电压误差信号进行比较。另一个特点是增加一个恒定导通时间的开关激活电路，这样就不再需要斜率补偿，该电路作为输入电压的函数来进行导通时间调节。这个控制的简化框图如下图所示。