分享4個單個電源控制多個環路的案例

在電源調節過程中，盡管同時控制多個環路會存在一些問題，但如果我們能了解系統的約束條件，就可以想出一種可行的策略。

在我的職業生涯中，我設計的大多數電源都具有一個固定的可調節電壓，能夠單路輸入與單路輸出。然而在很多情況下，有必要調節的并不僅僅是輸出電壓。

例如，當使用發光二極管(LED)驅動器時，我們通常能夠控制LED的電流。在電池充電器中，我們通常需要對充電電流進行限制，直到電池達到一個預設的電壓閾值;然后再調節電壓。USB端口只能支撐與通過一定的電流量，具體電流量因不同應用而異。在這些情況下，限制輸入電流是十分有必要的。能實現這些功能的例子有很多，下面讓我們參考以下幾個例子。

第一個例子是一款電池充電器 —— 其輸出電流在快速充電期間被調節到一定的電平。之后則主要由一個電壓環路來調節電池電壓。圖1展示了隔離反激式電池充電器的方框圖。

圖1：適合為電池充電的隔離反激式充電器

在運行期間，只有一個控制環路處于工作狀態，因為這兩個環路是由D1通過邏輯運算符“或”聯結而成的二極管。該辦法有幾大優勢：第一，兩個環路都可提供非常精確的調節功能;第二，每個環路的都能獲得單獨的補償均，從而確保兩個環路的穩定性。在電壓調節階段，功率級中有一個額外的電極(在電流調節階段不存在該電極)。然而，在快速的狀態變化期間，這種方法的不足之處也隨之顯現。

當電源在電流調節模式下工作時，電壓放大器輸出電平可被電軌拉高。如果移除電池，那么電流會突然減小，電壓環路就需要接管控制任務。由于放大器和補償需要時間作出響應，電源輸出會出現過沖的情況。如果補償被調整得可增加中頻帶環路增益，就能減小過沖。另一種選項是從放大器的輸出端添加一個額外的二極管用作參考(圖1，D2)。這有助于將放大器的輸出電壓鉗位到一個較低值，從而防止飽和并加快響應速度。需要添加的單獨參考以及軟性電路是采用多個外部放大器的方法又一缺點，因為這會增加系統的復雜性和成本。

第二個例子來自一種升壓型轉換器 —— 該轉換器專為從USB端口獲取功率而設計。USB端口可為不同類型的接口提供500mA、1A、1.5A甚至高達3A的電流。如果一種配件試圖汲取過大的電流，那么它會使總線超載并導致端口過熱或關斷主機設備。一種原始的方法是：在減小負載電流之前監測輸入電壓并等待它降到低于某一閾值。這種方法雖然可行，但并不理想。如果該端口包含一個USB開關，那么這種方法可能導致該端口連續復位。如果電流不受限制，那么它會導致要獲取的功率超過主機可支持的范圍。解決這一問題的另一種方法與我們的電池充電器示例非常相似。但是，這一次我們將調節輸入電流和輸出電壓。圖2展示了輸入電流受限制的升壓型轉換器的方框圖。

圖2：可調節輸入電流的USB升壓型轉換器

該電路具有與第一個實例完全相同的優勢和劣勢。值得特別注意的是，因為這是一款升壓型變換器，所以在擁有多個環路時補償問題尤為棘手。此外，在這種情況下，由于電流不是以接地(GND)作為參考的，故我們需要另添加一個電流檢測放大器。圖3展示了該電路能精確地調節輸出電壓和輸入電流的優勢。輸出電壓經過設置，可從一個USB輸入端(此處電壓為9V)進行調節。此外還展示了不同輸入電流調節設置(500mA、1.5A、1.8A和3A)的四條曲線。

圖3：輸入電流和輸出電壓都經過了嚴格的調節

最后一個例子是能在啟動過程中限制輸入電流、然后再調節輸出電壓的電路。當有必要為電容器的大型輸出組充電時，這種類型的電路會非常有用。前面的兩個電路使用多個外部放大器來調節電流和電壓環路，并且大多數控制器都包括一個集成式電壓環路放大器(該放大器仍然可被利用)。圖4展示了如何用內置的誤差放大器和補償器的輸出來減少必要外部零件數量。基本運行原理是：電流環路處于工作狀態時，可拉低電壓放大器的輸出電平。當電流環路處于非工作狀態時，它的輸出電平變高，并且不會影響正常運行。需要指出的是，該方案仍然存在需要外部參考的這一缺點。

圖4：可為超級電容器充電的降壓型轉換器