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电源变换器中电流模式和电压模式间的相互转化解析
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2017-12-05
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本文先简单的介绍了电流模式和电压模式的工作原理和这两种工作模式它们各自的优缺点；然后探讨了理想的电压模式利用输出电容ESR取样加入平均电流模式和通过输入电压前馈加入电流模式的工作过程。也讨论了电流模式在输出轻载或无负载时，在使用大的电感或在占比大于0.5加入斜坡补偿后，系统会从电流模式进入电压模式工作过程。
目前，电压模式和电流模式是开关电源系统中常用的两种控制类型。通常在讨论这两种工作模式的时候，所指的是理想的电压模式和电流模式。电流模式具有动态响应快、稳定性好和反馈环容易设计的优点，其原因在于电流取样信号参与反馈，抵消了由电感产生的双极点中的一个极点，从而形成单阶的系统；但正因为有了电流取样信号，系统容易受到电流噪声的干扰而误动作。电压模式由于没有电流取样信号参与反馈，系统也就不容易受到电流噪声的干扰。
然而，在实际的应用中，通常看似为电压模式的开关电源系统，即系统没有使用电流取样电阻检测电流信号，但也会采用其它的方式引入一定程度的电流反馈，从而提高系统动态响，如：利用输出电容ESR取样加入平均电流模式，通过输入电压前馈加入电流模式。另一方面，看似为电流模式的开关电源系统，在输出轻载或无负载时，系统会从电流模式进入电压模式。在使用大的电感时，或在占比大于0.5加入斜坡补偿后，系统会从电流模式向电压模式过渡。本文将讨论这些问题，从而帮助工程师在遇到系统不稳定的时候从理论上分析，找到解决问题的办法。
电压模式的工作原理
电压模式的控制系统如图1所示。反馈环路只有一个电压环，电压外环包括电压误差放大器，反馈电阻分压器和反馈补偿环节。电压误差放大器的同相端接到一个参考电压Vref，反馈电阻分压器连接到电压误差放大器反相端VFB，反馈环节连接到VFB和电压误差放大器的输出端VC.输出电压微小的变化反映到VFB管脚，VFB管脚电压与参考电压的差值被电压误差放大器放大，然后输出，输出值为VC.
电压误差放大器输出连接到PWM比较器的同相端，PWM比较器的反相端输入信号为斜波发生器的输出的连续锯齿波，由时钟同步信号产生。
每一个开关周期开始时，PWM比较器的反相端电压为0，PWM比较器输出为高电平，高端的主MOSFET导通，电感所加的电压为正，电感激磁，电流线性上升；PWM比较器的反相端电压所加的电压为时钟同步信号产生的锯齿波，电压从0开始上升。
当PWM比较器的反相端电压增加到等于电压误差放大器输出电压VC时，PWM比较器输出从高电平翻转，输出低电平，高端的主MOSFET关闭，低端的同步MOSFET或续流二极管导通，电感所加的电压为负，电感去磁，电流线性下降。下一个开关周期开始的时钟同步信号到来时，主MOSFET又导通，如此反复。
从电压模式工作原理可以看到，系统没有内置的限流功能保护电路，同时对输入和输出的瞬变响应缓慢。为了提高系统的可靠性，需要外加限流保护电路，注意到限流保护电路只起限流的作用，并不参与系统的内部的反馈调节。
图1：电压模式的控制系统图
电压模式为单反馈环控制系统，环路增益是输出电容ESR的函数，因此反馈补偿设计比较复杂，需要更多额外的器件仔细设计补偿环路，来优化负载瞬态响应。另外，需要电解电容或钽电容稳定控制回路以维持良好的高频响应；在相同均方根工作电流的需求下，相同电容值的电解电容或钽电容比陶瓷电容的体积更大，同时输出电压的波动也更大。同时，由于环路的增益是输入电压的函数，需要输入电压前馈。用于限流控制的电流检测缓慢不准确。如果多个电源和多个并联相位操作，需要外部电路进行均流控制。另一方面，由于电流信号不参与反馈，系统不会受到电流噪声的干扰。
电压模式的反馈设计通常取穿越频率为1/5-1/10的开关频率。环路补偿采用III类补偿网络：3个极点和2个零点［1］.2个零点安排在L-C谐振双极点附近，以抵消双极点产生的相位延迟；低频积分电路用以提高的低频直流增益；2个高频极点以产年高频噪声衰减，保证在0dB穿越频率以上环路增益保持下降。
目前，电压模式和电流模式是开关电源系统中常用的两种控制类型。通常在讨论这两种工作模式的时候，所指的是理想的电压模式和电流模式。电流模式具有动态响应快、稳定性好和反馈环容易设计的优点，其原因在于电流取样信号参与反馈，抵消了由电感产生的双极点中的一个极点，从而形成单阶的系统；但正因为有了电流取样信号，系统容易受到电流噪声的干扰而误动作。电压模式由于没有电流取样信号参与反馈，系统也就不容易受到电流噪声的干扰。
然而，在实际的应用中，通常看似为电压模式的开关电源系统，即系统没有使用电流取样电阻检测电流信号，但也会采用其它的方式引入一定程度的电流反馈，从而提高系统动态响，如：利用输出电容ESR取样加入平均电流模式，通过输入电压前馈加入电流模式。另一方面，看似为电流模式的开关电源系统，在输出轻载或无负载时，系统会从电流模式进入电压模式。在使用大的电感时，或在占比大于0.5加入斜坡补偿后，系统会从电流模式向电压模式过渡。本文将讨论这些问题，从而帮助工程师在遇到系统不稳定的时候从理论上分析，找到解决问题的办法。
电压模式的工作原理
电压模式的控制系统如图1所示。反馈环路只有一个电压环，电压外环包括电压误差放大器，反馈电阻分压器和反馈补偿环节。电压误差放大器的同相端接到一个参考电压Vref，反馈电阻分压器连接到电压误差放大器反相端VFB，反馈环节连接到VFB和电压误差放大器的输出端VC.输出电压微小的变化反映到VFB管脚，VFB管脚电压与参考电压的差值被电压误差放大器放大，然后输出，输出值为VC.
电压误差放大器输出连接到PWM比较器的同相端，PWM比较器的反相端输入信号为斜波发生器的输出的连续锯齿波，由时钟同步信号产生。
每一个开关周期开始时，PWM比较器的反相端电压为0，PWM比较器输出为高电平，高端的主MOSFET导通，电感所加的电压为正，电感激磁，电流线性上升；PWM比较器的反相端电压所加的电压为时钟同步信号产生的锯齿波，电压从0开始上升。
当PWM比较器的反相端电压增加到等于电压误差放大器输出电压VC时，PWM比较器输出从高电平翻转，输出低电平，高端的主MOSFET关闭，低端的同步MOSFET或续流二极管导通，电感所加的电压为负，电感去磁，电流线性下降。下一个开关周期开始的时钟同步信号到来时，主MOSFET又导通，如此反复。
从电压模式工作原理可以看到，系统没有内置的限流功能保护电路，同时对输入和输出的瞬变响应缓慢。为了提高系统的可靠性，需要外加限流保护电路，注意到限流保护电路只起限流的作用，并不参与系统的内部的反馈调节。
图1：电压模式的控制系统图
电压模式为单反馈环控制系统，环路增益是输出电容ESR的函数，因此反馈补偿设计比较复杂，需要更多额外的器件仔细设计补偿环路，来优化负载瞬态响应。另外，需要电解电容或钽电容稳定控制回路以维持良好的高频响应；在相同均方根工作电流的需求下，相同电容值的电解电容或钽电容比陶瓷电容的体积更大，同时输出电压的波动也更大。同时，由于环路的增益是输入电压的函数，需要输入电压前馈。用于限流控制的电流检测缓慢不准确。如果多个电源和多个并联相位操作，需要外部电路进行均流控制。另一方面，由于电流信号不参与反馈，系统不会受到电流噪声的干扰。
电压模式的反馈设计通常取穿越频率为1/5-1/10的开关频率。环路补偿采用III类补偿网络：3个极点和2个零点［1］.2个零点安排在L-C谐振双极点附近，以抵消双极点产生的相位延迟；低频积分电路用以提高的低频直流增益；2个高频极点以产年高频噪声衰减，保证在0dB穿越频率以上环路增益保持下降。
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