開關穩壓器的電流模式控制

本文提供了電流模式控制的入門知識，這是一種廣泛使用的電壓模式控制的替代方案，可以更快地響應輸入電壓和負載電流的變化。

關于開關穩壓器的介紹性文章有時會顯示只描述功率級的圖表，盡管如果你一直在閱讀我關于開關穩壓器技術和拓撲結構的文章，你就會知道這些電路需要功率級和控制器。雖然功率級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產生可預測、穩定輸出的關鍵。

在我的閉環控制入門中，我們檢查并模擬了一個電壓控制電路。這一次，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

在我們進入主題之前，讓我們簡要回顧一下閉環控制的最簡單方法。它遵循以下步驟：

輸出電壓通過電阻分壓器反饋到誤差放大器。

誤差放大器產生與縮放的輸出電壓和參考電壓之間的差成比例的誤差信號。

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一個適當補償的反饋回路中時，調節器將鎖定在指定的輸出電壓上，并自動響應線路和負載的變化。這就是我們所說的電壓模式控制。

下面，圖1顯示了通用電路的電壓控制設置。

電路圖顯示了降壓轉換器的電壓模式控制設置。

圖1。電壓模式控制方案。

電流模式控制

盡管直觀有效，但電壓模式控制有一個固有的局限性：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，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端一直傳播到輸出端。這減緩了過程，使電壓模式控制成為處理線路或負載波動的一種相當滯后的方法。

CMC從根本上修改了控制回路的傳遞函數。其基本前提是，通過對功率級內電感器Lo的電流進行采樣（圖2），并將這些信息納入反饋回路，電路可以通過電感器電流調節輸出電壓。換言之，直接控制下的變量是功率級的電感器電流，并且輸出電壓由于調節電感器的電流而自行調節。

DC-DC降壓轉換器功率級示例

圖2:DC-DC降壓轉換器功率級的示例。

與電壓模式控制相比，CMC為控制系統的設計帶來了顯著的復雜性。然而，這是一種可行的方法，可以提高響應時間并簡化環路補償，而不會以任何嚴重的方式降低電路性能。

CMC操作

盡管細節會因轉換器拓撲結構和所實現的CMC類型而異，但圖3中的圖表應該讓您了解如何將電流模式控制納入降壓轉換器。

示出了降壓轉換器的電流模式控制，更具體地說是峰值電流模式控制的圖。

圖3。一種電流模式控制的降壓轉換器。

電流感測電阻器（RSENSE）產生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”有點松散——通過感應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，感測電阻器位于電感器的輸出側并與電感器串聯，并且RSENSE兩端的電壓將始終與瞬時電感器電流成正比。

也可以定位感測電阻器，使其與功率級中的開關串聯。這在開關周期的接通部分期間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，感測電阻器必須在電路的輸入側。

如圖所示，電壓反饋仍然存在——感應電感器電流并不能取代感應輸出電壓。相反，這兩個測量值以允許回路通過控制電感器電流來響應輸出偏差的方式進行組合。接下來，我們將討論實現這一目標的兩種不同方式。

峰值電流模式控制與平均電流模式控制

峰值CMC和平均CMC表示控制電感器電流的兩種不同方式。對于峰值CMC，電感器電流（由RSENSE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PWM波形關斷開關。

利用平均CMC，將與電感器電流相對應的電壓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。外部產生的斜坡信號提供比較器的另一個輸入。

我們在上面檢查的通用CMC圖顯示了峰值CMC方案。平均CMC看起來更像圖4。

顯示降壓轉換器的平均CMC設置的示意圖。

圖4。具有平均CMC而不是峰值CMC的降壓轉換器控制方案。

平均CMC解決了峰值CMC的缺點，但并不一定優越——和往常一樣，每種方法都有優缺點。盡管平均CMC提供了顯著的理論優勢，但這些優勢并不總是轉化為物理電路性能的顯著提高。

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在這篇文章中，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一種理想的選擇，并介紹了CMC如何操作的一些介紹性信息。下一次，我們將查看SPICE示意圖，它將幫助我們更好地了解CMC降壓轉換器的電氣行為。