峰值电流模式控制(Peak Current-mode Control)简称电流模式控制。它的概念源于20世纪60年代后期具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在20世纪70年代后期,才从学术上做深入地建模研究。直至20世纪80年代初期,第一批电流模式控制PWM集成电路(UC3842、UC3846)的出现,才使得电流模式控制迅速推广应用,主要用于单端及推挽电路。近年来,由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差,因此电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。如图219所示,误差电压信号Ue送至PWM比较器后,并不是像电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较,而是与一个变化的、其峰值代表输出电感电流峰值的三角波形或梯形尖角状合成波形信号UΣ相比较,然后得到PWM脉冲关断时刻。因此,(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度,而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小,然后间接地控制PWM脉冲宽度。
电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电感电流容易传感,而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是,峰值电感电流的大小不能与平均电感电流的大小一一对应,因为在占空比不同的情况下,相同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流的大小才是惟一决定输出电压大小的因素。在数学上可以证明,将电感电流下斜坡斜率的一半以上加在实际检测电流的上斜坡上,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UΣ要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度时,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,如图219所示。当输出电流减小时,峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。当处于空载状态时,输出电流为零且斜坡补偿信号幅值比较大的话,峰值电流模式控制实际上就变为电压模式控制了。
峰值电流模式控制PWM是双闭环控制系统,电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源,而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中,电流内环只负责输出电感的动态变化,因而电压外环仅需控制输出电容,不必控制LC储能电路。因此,峰值电流模式控制PWM具有比电压模式控制大得多的带宽。
峰值电流模式控制PWM的优点有:
①暂态闭环响应较快,对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应也较快;
②控制环易于设计;
③输入电压的调整技术可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美;
④具有简单、自动的磁通平衡功能;
⑤具有瞬时峰值电流限流功能,即内在固有的逐个脉冲限流功能;
⑥具有自动均流并联功能。
峰值电流模式控制PWM的缺点有:
①具有占空比大于50%的开环不稳定性,存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差;
②闭环响应不如平均电流模式控制理想;
③容易发生次谐波振荡,即使占空比小于50%,也有发生高频次谐波振荡的可能性,因而需要斜坡补偿;
④对噪声敏感,抗噪声性差,因为电感处于连续储能电流状态,与控制电压编程决定的电流电平相比较,开关器件的电流信号的上斜坡通常较小,电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻,使系统进入次谐波振荡;
⑤电路拓扑受限制;
⑥对多路输出电源的交互调节性能不好。
本文节选自《开关电源实用技术》，由镭之源
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