開關穩壓器的電流模式控制詳解

電壓模式控制通過將輸出電壓反饋到誤差放大器來控制輸出電壓，而CMC則通過采樣電感電流來控制輸出電壓。

CMC相較于電壓模式控制在控制系統設計上更加復雜，但在提高響應時間和簡化環路補償方面具有優勢。

摘要

本文介紹了電壓模式控制和當前模式控制（CMC）用于開關電源調節器的原理。電壓模式控制使用輸出電壓作為反饋信號，通過調整脈寬調制（PWM）波形來調節輸出電壓。而CMC通過采樣電感電流并將其納入反饋環路中，通過調整電感電流來控制輸出電壓。CMC相較于電壓模式控制具有更快的響應時間，但也增加了系統設計的復雜性。不同的CMC方式包括峰值模式控制和平均模式控制，它們分別通過比較電感電流和錯誤信號或者將電感電流輸入到集成的電流誤差放大器來控制電感電流。盡管平均模式控制在理論上具有優勢，但實際電路性能并不一定比峰值模式控制更好。

有關開關穩壓器的介紹性文章有時會顯示僅描述功率級的圖表，但如果您一直在閱讀我有關開關穩壓器技術和拓撲的文章，您就會知道這些電路需要功率級和控制器。雖然功率級可能確實是基于電感器的電壓轉換的關鍵，但基于反饋的開關控制是生成可預測的穩定輸出的關鍵。

在我的閉環控制入門書中，我們檢查并模擬了電壓控制電路。這次，我們將討論一種不同的控制方案：電流模式控制，也稱為 CMC。

電壓模式控制

在進入主題之前，讓我們簡要回顧一下最直接的閉環控制方法。它遵循以下步驟：

輸出電壓通過電阻分壓器反饋至誤差放大器。

誤差放大器產生與縮放輸出電壓和參考電壓之間的差值成比例的誤差信號。

比較器使用誤差信號和外部生成的斜坡信號來產生驅動開關的PWM波形。

PWM 占空比的變化會影響輸出電壓。

當所有這些都集成到適當補償的反饋環路中時，調節器將鎖定指定的輸出電壓并自動響應線路和負載變化。這就是我們所說的電壓模式控制。

下面的圖 1 顯示了通用電路的電壓控制設置。

圖 1.電壓模式控制方案。

電流模式控制

雖然直觀且有效，但電壓模式控制具有固有的局限性：在輸出端檢測到電壓變化，由于電容的原因，電壓變化必然會逐漸變化，并且在輸出端也會觀察到主控制變量（PWM 占空比）的影響。因此，閉環控制動作必須從輸出一路傳播到再次輸出。這會減慢該過程，使得電壓模式控制成為一種處理線路或負載波動的相當滯后的方法。

CMC 從根本上修改了控制回路的傳遞函數。其基本前提是，通過對電感電流進行采樣并將該信息納入反饋環路，電路可以通過電感電流來調節輸出電壓。換句話說，直接控制的變量是電感電流，并且輸出電壓由于調節電感電流而自行調節。

與電壓模式控制相比，CMC 顯著增加了控制系統設計的復雜性。盡管如此，這是一種可行的方法，可以提高響應時間并簡化環路補償，而不會嚴重降低電路性能。

CMC運作

盡管細節會因轉換器拓撲和所實施的 CMC 類型而異，但圖 2 中的圖表應該讓您了解如何將電流模式控制合并到降壓轉換器中。

圖 2.電流模式控制降壓轉換器。

電流檢測電阻 (R SENSE) 生成與電感器電流成比例的電壓。請注意，我使用的術語“電感器電流”有些寬松 - 通過檢測電阻器的電流并不總是與通過電感器的電流相同。在上圖中，檢測電阻位于電感器的輸出側并與電感器串聯，R SENSE兩端的電壓始終與瞬時電感器電流成正比。

還可以放置檢測電阻，使其與功率級中的開關串聯。這會在開關周期的接通部分產生與電感器電流成比例的電壓。然而，對于升壓轉換器，電感器與輸入電源串聯。為了與電感器串聯，檢測電阻器必須位于電路的輸入側。

如圖所示，電壓反饋仍然存在——感測電感電流并不會取代感測輸出電壓。相反，這兩種測量結果以一種允許環路通過控制電感器電流來響應輸出偏差的方式組合。接下來，我們將討論實現此目的的兩種不同方法。

峰值電流模式控制與平均電流模式控制

峰值 CMC 和平均 CMC 代表控制電感器電流的兩種不同方式。通過峰值 CMC，電感器電流（由R SENSE和放大器轉換為電壓）與誤差信號進行比較。由此產生 PWM 波形，當瞬時電感器電流達到指定幅度時，該波形關閉開關。

通過平均 CMC，與電感器電流相對應的電壓被傳送到集成電流誤差放大器。該放大器的輸出成為 PWM 生成比較器的輸入。外部生成的斜坡信號提供比較器的另一個輸入。

我們上面檢查的通用 CMC 圖顯示了峰值 CMC 方案。平均 CMC 看起來更像圖 3。

圖 3.具有平均 CMC（而不是峰值 CMC）控制方案的降壓轉換器。

平均 CMC 解決了峰值 CMC 的缺點，但它并不一定優越 - 與往常一樣，每種方法都有優點和缺點。盡管普通 CMC 具有顯著的理論優勢，但這些優勢并不總能轉化為物理電路性能的顯著提高。

總結

在本文中，我們回顧了開關穩壓器的電壓模式控制，解釋了為什么電流模式控制是理想的替代方案，并回顧了有關 CMC 如何運行的一些介紹性信息。

審核編輯：湯梓紅