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如何转换开关电源系统电压模式与电流模式?

gecimao 发表于 2019-06-06 09:05 | 查看: | 回复:

  系统进入轻载或空载时,变换器通常工作在突发模式和跳脉冲模式。对于跳脉冲模式,变换器进入非连续电流模式,高端的开关管的开通时间为控制器所设定的最小导通时间,同时在有一些开关周期,高端的开关管不导通,也就是屏蔽,或跳去一些开关脉冲,以维持输出电压的调节。

  注意到:在轻载或空载时,电流信号很小,系统也很难检测到电流信号,另一方面,由于高端的开关管的开通时间固定为最小导通时间,已不受电流检测信号的调节,电流反馈事实上已经不起作用,也就不参与到反馈环节。系统此时工作于标准的电压模式。

  对于突发模式,输出电压完全由滞洄比较器控制,滞洄比较器控制通过检测输出电压的变化,将输出电压设定在允许的上限和下限的范围内,系统此时也是工作于标准的电压模式。

  输出电感的选择及设计是基于输出DC电压的稳态和瞬态的要求。较大的电感值可减小输出纹波电流和纹波电压,减小磁芯的损耗,但在负载瞬变过程中改变电感电流的时间会加长,同时增大电感的成本和体积。较小的电感值可以得到较低的直流铜损,但是交流磁芯损耗和交流绕线电阻损耗会变大。

  同时使用大的电感时,电感电流的斜率减小,在理想的状态下,若电感值为无穷大,那么在整个开关周期,电感电流为直流值,电流检测信号就不在起作用,也就是标准的电压模式。因此使用的电感值越大,工作于电流模式的控制就越接近于电压模式,在负载瞬变过程中,系统动特性越差。因此对于电流模式,折衷的方法是选择电感纹波电流峰峰值在输出负载电流额定值的20%到40%之间。

  理论上,当占空比大于50%时,电流模式就要加斜坡补偿,系统才能稳定的工作。否则,就会产生次谐波振荡。在实际的应用中,占空比大于40%时,就要加斜坡补偿。占空比大于50%时,斜坡补偿,由于电感充分激磁,而去磁不足,因此输出的电压将比预设定的值高,并将继续升高,直到较慢的电压控制回路调整电流设定点为止,然后输出电压又下降至低于期望值,形成次谐波振荡。

  次谐波振荡典型的特性就是在一个开关周期,脉冲宽度较宽,在下一个开关周期,脉冲宽度变窄,在每三个开关周期,脉冲宽度又变宽,如此反复。此时可以看到输出电压不稳定,有时还可以听到音频的噪声。

  图2中,红线斜坡补偿,实线三角形波为加斜坡补偿的电感的电流波形,虚线为没加斜坡补偿的电感的电流波形。如果用下降沿的锯齿波电压,则其加在电压误差放大器的输出上,用以控制电流检测信号;如果用上升沿的锯齿波电压,则其加在电流检测信号上,然后与电压误差放大器的输出进行比较。

  注意到,内部的斜坡补偿将使总的电流斜坡减小,即斜坡补偿使真正的电感电流的斜率降低,可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用,使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流,因而合成波形信号要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成,从而促使变换器从电流模式向电压模式转化。

  所加的斜坡补偿越大,变换器越接近电压模式,当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度,峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替,就成为电压模式控制,只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号。

  斜坡补偿也降低了电流环路的增益,降低的系统内部设定的限流点,使系统实际所加的负载电流值降低。

  当处于空载状态,输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话,峰值电流模式控制就实际上就完全变为电压模式控制。

  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。然而,在实际的应用中,电压模式的开关电源系统,即系统反馈环中没有引入电流取样信号,但也会采用其它的方式引入一定程度的电流反馈,电压模式向电流模式转变,从而提高系统动态响。

  理想的电压模式在一定的反馈网络参数下,很难在整个电压输入范围和输出负载变化范围内都能稳定的工作。输出负载变化可以通过加大输出电容同时使用ESR值大的电容来优化其动特性,尽管这样做导致系统的成本和体积增加,同时增大输出的电压纹波。

  通常,从直观上理解,输出电容ESR和输出电容形成一个零点,对于电流模式,这个零点不是必需的,因为电流模式是单阶的系统,而且这个零点导致高频的增益增加,系统容易受到高频噪声的干扰。所以电流模式或者使用ESR极低的陶瓷电容,使ESR零点提升到更高的频率,就不会对反馈系统产生作用,或者再加入一个极点以抵消零点在高频段的作用,加入极点的方法就是在ITH(Vc)管脚并一个对地的电容。

  电压模式是LC形成的二阶系统,这个零点的引入可以一定的程度上抵消LC双极点的一个极点,使其向单阶系统转化。ESR越大,作用越明显。因此电压模式输出电压通常使用ESR大的电容。

  Vco为输出电容的容抗上的电压,DIL为电感的纹波电流,a为电流纹波系数,一般取0.2-0.4。

  若ESR小,式中后面的一项基本可以忽略;但是,由于电压模式通常使用ESR值较大的输出电容,这样ESR就不可以忽略,由于ESR的作用,相当于在输入电压的反馈信号中引入了一定程度的电流模式,电流模式反馈量为:D(ESR*a*Io)。

  输出电容的ESR将采样的电流信号送到电压误差放大器的输入端,和输出电压信号加在一起,经过电压误差放大器放大,再送到PWM比较器,其工作的原理相当于平均电流反馈。在电压模式中,使用ESR大的输出电容,相当于引入一定程度的平均电流模式,从而增加系统对输出负载变化的动态响应,提高系统的稳定性。

  对于输入电压的变化,目前通常采用输入电压前馈技术,来提高系统对输入电压变化的响应。电压模式中,内部时钟信号产生锯齿波的斜率固定为k,图2中的虚线所示。在没有电压前馈时,产生的占空比为D*Ts,则有以下公式:

  输入电压前馈就是在内部锯齿波上加入随输入电压变化的斜坡,或者从Vc信号减去此斜坡。若采用输入电压前馈加在内部锯齿波上的方式,若外加的前馈电压斜坡的斜率为ks,内部锯齿波和外加斜坡之和为:k+ks。

  前馈前压的斜率随输入电压增加而增大,ks正比于Vin,即:ks正比于kVin*Vin,所以此时的占空比为:

  占空比随输入电压的增加立刻而减少,图2中的实线所示,系统提前对输入电压变化做出相应的响应。

  从上式可以看到,所加的输入电压前馈信号也就是输入的电流信号。事实上可以这样理解:输入电压前馈技术也就是在理想的电压模式中,叠加一定的电流反馈,以形成一定的电流反馈,从而增加系统对输入电压变化的响应。

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