傳統電流模式的缺陷及改進方案：斜坡補償電路

　　引言

　　開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管的導通和關斷的時間比率，維持輸出電壓穩定的一種電源，它和線性電源相比，具有效率高、功率密度高、可以實現和輸人電網的電氣隔離等優點，被譽為離效節能電源M目前開關電源已經應用到了各個領域，尤其在大功率應用的場合，開關電源具有明顯的優勢。

　　開關電源一般由脈沖寬度控制(PWM)IC、功率開關管、整流二極管和LC濾波電路構成。在中小功率開關電源中，功率開關管可以集成在PWM控制IC內。開關電源按反饋方式分為電壓模式和電流模式。電流模式開關電源因其突出的優點而得到了快速的發展和廣泛的應用。但是電流模式的結構決定了它存在兩個缺點:恒定峰值電流而非恒定平均電流引起的系統開環不穩定:占空比大于50%時系統的開環不穩定。

　　本文旨在從原理上分析傳統電流模式的缺陷及改進方案，之后分析一個實用的斜坡補償電路。

　　2.電流模式的原理分析

　　開關電源可以有很多種結構，但原理基本相似。圖1是電流模式降壓斬波fg(Buck)開關電源的原理圖。它和電壓模式的主要區別是增加了電流采樣電阻R3和電流放大器IA. R3的阻值一般很小，以避免大的功耗。功率管Ql在每個周期開始的時候開啟并維持一段時間Ton，通過濾波電感Lo對濾波電容C。充電、同時向負載提供電流，此時Lo上電流隨時間的變化率為

　　電感電流到達一定值后功率管關斷，二極管D1起續流和鉗位作用。設DI的導通壓降為VZ，則此時

　　RI和R2分壓后和Vπf 比較并放大，變為信號VEA;同時R3兩端的壓降經IA放大后變為信號VIA，當VIA高于VEA時，相關控制電路將控制功率管關斷，從而達到調節占空比的目的。通過實時地調節占空比，輸出電壓可以穩定在一個預先設定的值。上述工作過程的波形如圖2,實線表示連續工作模式，虛線表示不連續工作模式，其中Clock表示時鐘信號，VEA表示EA的輸出，VIA表示IA的輸出，IQ1是功率管的電流，ID1是二極管電流

　　電流模式由于采用了電壓一電流雙環控制顯著改善了開關電源的性能，主要表現在：

　　① 根本消除了Push-pull開關電源存在的磁通量失恒問題磁通量失恒會減弱電感的承壓能力，導致功率管電流不斷增大并最終燒毀。電流模式在每個周期都限定功率管峰值電流，能徹底杜絕磁通量失恒.

　　② 電壓調整率顯著減小。當輸人電壓波動時圖1中的電流檢測電阻R3會立即檢測到峰值電流的變化，快速調整占空比，使輸出電壓穩定

　　③ 簡化了反饋電路的設計LC濾波電路在頻率達到共鳴頻率

后，相移會接近最大值180°，輸人到輸出的增益會隨著頻率的升高而迅速減小，這就增加了開關電源反饋電路設計的復雜程度在電流模式中，濾波電感的小信號阻抗幾乎為零，這樣就只能產生最大90,相移，增益隨頻率升高而下降的速度也減小為實際LC濾波電路的一半。因此反饋電路的設計可以大幅簡化

　　④ 改善了負載調整率。在電流模式中，誤差放大器的帶寬更大，因而負載調整率更好。

　　3.電流模式的缺點

　　3.1恒定峰值電流引起的電感平均電流不恒定

　　電流模式的實質是使電感平均電流跟隨誤差放大器輸出電壓VEA設定的值，即可用一個恒流源來代替電感，使整個系統由二階降為一階。但在常用的峰值電流模式中，不同的占空比會導致不同的電感平均電流。這可以由平均電流的計算式看出:

　　其中Ip是峰值電流，dl是峰值電流和最小值的差值，T是時鐘周期，ton和toff分別為功率管開啟時間和關斷時間

　　如圖3所示，當由于某種原因使輸人電壓從Vdc1變化到Vdc2，電感電流的上升沿斜率將會變化(Vdc2-Vdc1)/Lo而下降沿斜率不變.占空比將從Dl變為D2，電感電流的平均值從Iav1變化到Iav2，這往往會導致輸出電壓在一段時間內振蕩

　　3.2 電感擾動電流引起的輸出振蕩

　　在輸入電壓不變的條件下，當由于某種外部原因使電感上的電流在一個下降沿結束時發生小的擾動AI，因為電流的上升沿和下降沿的斜率以及峰值電流都不變，所以在下一個周期結束后，這個擾動電流將被放大為

　　其中dt為發生擾動后導通時間的變化值，m1和m2分別為上升斜率和下降斜率。