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1、电源变换器中电流模式和电压模式相互转化摘要：本文先简单的介绍了电流模式和电压模式的工作原理和这两种工作模式它们各自的优缺点；然后探讨了理想的电压模式利用输出电容 ESR 取样加入平均电流模式和通过输入电压前馈加入电流模式的工作过程。也讨论了电流模式在输出轻载或无负载时，在使用大的电感或在占比大于 0.5 加入斜坡补偿后，系统会从电流模式进入电压模式工作过程。 关键词：电流模式，电压模式，转化，斜坡补偿Mutual Variation between Current Mode and Voltage Mode in Power Supply Converter(AOS Semiconductor
2、 Co., Ltd., Shanghai 201203) Abstract: The operation principle and features of current mode and voltage mode are introduced in this paper. The converter at voltage mode will own good dynamic performances of current mode when current signal via ESR of output capacitance or input voltage forward feedb
3、ack is imposed into control loop of voltage mode. The converter at current mode will go into voltage mode at light or no load, high value inductance or slope compensation with above 0.5 duty cycle. Key words: Current mode, Voltage mode, Alternation, Slope Compensation 目前，电压模式和电流模式是开关电源系统中常用的两种控制类型。通
4、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。电流模式具有动态响应快、稳定性好和反馈环容易设计的优点，其原因在于电流取样信号参与反馈，抵消了由电感产生的双极点中的一个极点，从而形成单阶的系统；但正因为有了电流取样信号，系统容易受到电流噪声的干扰而误动作。电压模式由于没有电流取样信号参与反馈，系统也就不容易受到电流噪声的干扰。然而，在实际的应用中，通常看似为电压模式的开关电源系统，即系统没有使用电流取样电阻检测电流信号，但也会采用其它的方式引入一定程度的电流反馈，从而提高系统动态响，如：利用输出电容 ESR 取样加入平均电流模式，通过输入电压前馈加入电流模式。另一方面，看似为电
5、流模式的开关电源系统，在输出轻载或无负载时，系统会从电流模式进入电压模式。在使用大的电感时，或在占比大于 0.5 加入斜坡补偿后，系统会从电流模式向电压模式过渡。本文将讨论这些问题，从而帮助工程师在遇到系统不稳定的时候从理论上分析，找到解决问题的办法。1 电压模式的工作原理电压模式的控制系统如图 1 所示。反馈环路只有一个电压环，电压外环包括电压误差放大器，反馈电阻分压器和反馈补偿环节。电压误差放大器的同相端接到一个参考电压Vref，反馈电阻分压器连接到电压误差放大器反相端 VFB，反馈环节连接到 VFB和电压误差放大器的输出端 VC。输出电压微小的变化反映到 VFB管脚，VFB管脚电压与参考
6、电压的差值被电压误差放大器放大，然后输出，输出值为 VC。 电压误差放大器输出连接到 PWM 比较器的同相端，PWM 比较器的反相端输入信号为斜波发生器的输出的连续锯齿波，由时钟同步信号产生。每一个开关周期开始时，PWM 比较器的反相端电压为 0，PWM 比较器输出为高电平，高端的主 MOSFET 导通，电感所加的电压为正，电感激磁，电流线性上升；PWM 比较器的反相端电压所加的电压为时钟同步信号产生的锯齿波，电压从 0 开始上升。 当 PWM 比较器的反相端电压增加到等于电压误差放大器输出电压 VC时，PWM 比较器输出从高电平翻转，输出低电平，高端的主 MOSFET 关闭，低端的同步 MO
7、SFET 或续流二极管导通，电感所加的电压为负，电感去磁，电流线性下降。下一个开关周期开始的时钟同步信号到来时，主 MOSFET 又导通，如此反复。从电压模式工作原理可以看到，系统没有内置的限流功能保护电路，同时对输入和输出的瞬变响应缓慢。为了提高系统的可靠性，需要外加限流保护电路，注意到限流保护电路只起限流的作用，并不参与系统的内部的反馈调节。图1：电压模式的控制系统图 电压模式为单反馈环控制系统，环路增益是输出电容 ESR 的函数,因此反馈补偿设计比较复杂，需要更多额外的器件仔细设计补偿环路，来优化负载瞬态响应。另外，需要电解电容或钽电容稳定控制回路以维持良好的高频响应；在相同均方根工作电
8、流的需求下，相同电容值的电解电容或钽电容比陶瓷电容的体积更大，同时输出电压的波动也更大。同时，由于环路的增益是输入电压的函数,需要输入电压前馈。用于限流控制的电流检测缓慢不准确。如果多个电源和多个并联相位操作,需要外部电路进行均流控制。另一方面，由于电流信号不参与反馈，系统不会受到电流噪声的干扰。电压模式的反馈设计通常取穿越频率为1/5-1/10的开关频率。环路补偿采用III类补偿网络：3个极点和2个零点 1。2个零点安排在L-C谐振双极点附近，以抵消双极点产生的相位延迟；低频积分电路用以提高的低频直流增益；2个高频极点以产年高频噪声衰减，保证在0dB穿越频率以上环路增益保持下降。 2 电流模
9、式的工作原电流模式的控制系统如图 2 所示。在电流模式的结构中，反馈有二个环路：一个电压外环，另一个是电流的内环。电压外环包括电压误差放大器，反馈电阻分压器和反馈补偿环节。电压误差放大器的同相端接到一个参考电压 Vref，反馈电阻分压器连接到电压误差放大器反相端 VFB，反馈环节连接到 VFB和电压误差放大器的输出端 ITH。若电压型放大器是跨导型放大器，则反馈环节连接到电压误差放大器的输出端 ITH和地。目前，在高频 DCDC 的应用中，跨导型放大器应用更多。本文就以跨导型放大器进行讨论。输出电压微小的变化反映到VFB管脚， VFB管脚电压与参考电压的差值被跨导型放大器放大，然后输出，输出值
10、为 VITH，跨导型放大器输出连接到电流比较器的同相端，电流比较器的反相端输入信号为电流检测电阻的电压信号 VSENSE。由此可见，对于电流比较器，电压外环的输出信号作为电流内环的给定信号。对于峰值电流模式，工作原理如下：在时钟同步信号到来时，高端的主开关管开通，电感激磁，电流线性上升，电流检测电阻的电压信号也线性上升，由于此时电压外环的输出电压信号高于电流检测电阻的电压，电流比较器输出为高电压；当电流检测电阻的电压信号继续上升，直到等于电压外环的输出电压信号时，电流比较器的输出翻转，从高电平翻转为低电压，逻辑控制电路工作，关断高端的主开关管的驱动信号，高端的主开关管关断，此时电感开始去磁，电
11、流线性下降，到一个开关周期开始的时钟同步信号到来，如此反复 2。 图2：电流模式的控制系统图 电流模式的Buck变换器需要精密的电流检测电阻并且这会影响到系统的效率和成本，但电流模式有更多的优点：反馈内在cycle-by-cycle峰值限流；电感电流真正的软起动特性；精确的电流检测环；输出电压与输入电压无关，一阶的系统容易设计反馈环，动态响应快、系统的稳定余量大稳定性好，增益带宽大，即便是输出只用陶瓷电容，也容易设计补偿，补偿管脚只用简单RC网络就能对输出负载瞬态作出稳定响应；精确、快速的电流均流，易实现多相位/多变换器的并联操作得到更大输出电流；允许大的输入电压纹波从而减小输入滤波电容，提高
12、了输入的功率因素；输出允许用陶瓷电容，因此这种模式更省空间、省成本、体积更小、价格更便宜。但是，峰值电流模式中占空比大于50%时，系统的开环不稳定，产生次谐波振荡；而且系统会受到电流噪声的干扰而误动作3 理的电压模式向电流电模式转化3.1 1 理想电压模式中输出电容 ESR 取样形成的平均电流模式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
13、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 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。 另一方面，注意到，输出电压为： VCO为输出电容的容抗上的电压，IL为电感的纹波电流，IL=
14、Iout， 为电流纹波系数，一般取 0.2 0.4。 输出电压的小信号值为：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： (ESR Iout )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
15、，提高系统的稳定性。3.2 理想电压模式中输入电压前馈形成的电流模式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。输入电压前馈如图 3 所示。图中的实线锯齿波为内部时钟信号产生的斜率固定为 k 的正常锯齿波，在没有电压前馈时，产生的占空比为 d Ts ，则有以下公式：Vc = k d Ts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。当输入电压突然增加时，内部锯齿波和外加斜坡之和的波形为图 3 中的虚线所示。若外加斜坡的斜率为 ks ，则总的斜率为：k + ks ，注意到：ks Vin ，也就是 ks = k Vin V
16、in ，所以此时的占空比为： 即：占空比随输入电压的增加立刻而减少，系统提前对输入电压变化做出相应的响应。 图3：电压模式的电压前馈 若不考虑效率，由功率平衡可以得到：Vin Iin = Vout Iout ，所以有； 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。4 理想的 流模式向电 压模式转化4.1 轻载时电流模式趋向于电压模式电压模电源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 3。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
