上一篇文章我们介绍了DCDC的运行模式和控制模式,
控制模式,简单的说就是用于控制输出电压的方法和策略。随着技术的发展,DCDC电源的控制模式越来越多样化,这些控制模式根据具体应用的需求和性能要求选择,以实现更高的效率、更好的稳定性和更快的动态响应能力,今天从最基本的控制模式开始聊起,电压控制和电流控制。
电压控制模式(VMC)
最早的电压控制模式应用于线性稳压器(LDO),通过调节晶体管的导通时间来控制输出电压。这种方法简单可靠,但效率较低,适用于较小功率的应用。
下图中通过反馈电阻R1和R2对输出进行采样,用于控制传输晶体管至负载的电流。
图:LDO内部控制框图
20世纪70年代,PWM调制技术开始应用于DC-DC电源。通过调节开关管的导通时间比例,可以实现更高的效率和更稳定的输出电压。PWM调制成为了现代DC-DC电源的基础。同时为了提高DC-DC电源的稳定性和精度,反馈控制技术被引入。反馈控制通过测量输出电压,并与设定值进行比较,调节PWM信号的占空比,使输出电压保持在设定值附近。
在最开始,这种控制方式没有名字,但随着电流控制模式的引入,电压控制模式成为了该结构的默认名称,它现在依然为参照标准和最广泛使用的控制方案。
图:电压控制模式框图
如上图为电压控制模式的基本框图,主要分为三个部分:
第一部分:为误差放大器和反馈网络构成的反馈调节部分。通过反馈电阻分压得到的电压和内部的基准电压进行比较,通过误差放大器输出Vc
第二部分:为调节器,内部产生一个三角波Vp,让它和误差放大器的输出Vc进行比较从而输出PWM波(Vc大于Vp,PWM输出低电平;Vc小于Vp,PWM输出高电平),PWM来控制开关管的导通时间,稳定的输出电压。
图:调节器控制框图
第三部分:为电感和电容组成的输出滤波器,LC滤波器通过储存能量来变换电压,从而使输出稳定。
优势:
①稳定的调试方式,对噪声不太敏感
②能够在很宽的占空比范围内工作。
劣势:
①环路增益与VIN成正比,同时对输出电压变化的响应速度缓慢
②LC滤波器带来的双极点,使得环路补偿变得复杂,并需要将
③必须单独实施电流限制。
电流控制模式(CMC)
电流模式控制是对电压模式控制的改良,是以检测电路电感电流的方式取代电压模式控制使用的三角波,或检测晶体管的电流取代电感电流、通过电流检测电阻进行检测。反馈环路分电压环路和电流环路两者,控制虽变得比较复杂,不过有相位补偿电路设计大幅简单化的优点。其他优点还有反馈环路的稳定性高,负载瞬态响应比电压模式快速。其缺点是,因电流检测敏感故所以噪声弱,不过最近此部分因内置于IC而问题变少。
电流控制模式又可以进一步划分为多种控制方式:峰值电流控制方式、谷值电流控制、平均电流控制方式。这几种控制方式的最大区别在于电流采集的位置不同。
图:峰值电流控制框图
峰值电流控制模式(PCMC)中,电流采样点位于高测晶体管或电感器的电流波形的上升斜坡部分用于在现有电压控制环路外提供快速响应控制环路,将电流波形用作PWM生成比较器的斜坡波形。将电流信号与电压误差放大器的输出进行比较,以便生成电源的PWM控制信号。
为了维持转换器的高效率,理想情况下用于测量电感器电流的检测电阻应尽可能小,以降低测量导致的功率损耗。该电阻器可导致小振幅反馈信号。电感器电流波形直接用作比较器输入信号,因此峰值电流控制方式容易受噪声和电压瞬态的影响。另外峰值电流控制通常会添加斜坡补偿以解决占空比大于 50%时的稳定性问题。系统会先为电感器电流添加斜坡补偿,然后才将其用作比较器的输入信号。
图:平均电流控制框图
平均电流模式控制 (ACMC) 会先利用电感器电流波形和附加的增益和集成级,然后再将信号与外部提供的斜坡波形进行比较(与 VMC 相类似)。这可以提高抗噪性能并且无需斜坡补偿。
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