开关稳压器的电流模式控制详解

电压模式控制通过将输出电压反馈到误差放大器来控制输出电压，而CMC则通过采样电感电流来控制输出电压。

CMC相较于电压模式控制在控制系统设计上更加复杂，但在提高响应时间和简化环路补偿方面具有优势。

摘要

本文介绍了电压模式控制和当前模式控制（CMC）用于开关电源调节器的原理。电压模式控制使用输出电压作为反馈信号，通过调整脉宽调制（PWM）波形来调节输出电压。而CMC通过采样电感电流并将其纳入反馈环路中，通过调整电感电流来控制输出电压。CMC相较于电压模式控制具有更快的响应时间，但也增加了系统设计的复杂性。不同的CMC方式包括峰值模式控制和平均模式控制，它们分别通过比较电感电流和错误信号或者将电感电流输入到集成的电流误差放大器来控制电感电流。尽管平均模式控制在理论上具有优势，但实际电路性能并不一定比峰值模式控制更好。

有关开关稳压器的介绍性文章有时会显示仅描述功率级的图表，但如果您一直在阅读我有关开关稳压器技术和拓扑的文章，您就会知道这些电路需要功率级和控制器。虽然功率级可能确实是基于电感器的电压转换的关键，但基于反馈的开关控制是生成可预测的稳定输出的关键。

在我的闭环控制入门书中，我们检查并模拟了电压控制电路。这次，我们将讨论一种不同的控制方案：电流模式控制，也称为 CMC。

电压模式控制

在进入主题之前，让我们简要回顾一下最直接的闭环控制方法。它遵循以下步骤：

输出电压通过电阻分压器反馈至误差放大器。

误差放大器产生与缩放输出电压和参考电压之间的差值成比例的误差信号。

比较器使用误差信号和外部生成的斜坡信号来产生驱动开关的PWM波形。

PWM 占空比的变化会影响输出电压。

当所有这些都集成到适当补偿的反馈环路中时，调节器将锁定指定的输出电压并自动响应线路和负载变化。这就是我们所说的电压模式控制。

下面的图 1 显示了通用电路的电压控制设置。

图 1.电压模式控制方案。

电流模式控制

虽然直观且有效，但电压模式控制具有固有的局限性：在输出端检测到电压变化，由于电容的原因，电压变化必然会逐渐变化，并且在输出端也会观察到主控制变量（PWM 占空比）的影响。因此，闭环控制动作必须从输出一路传播到再次输出。这会减慢该过程，使得电压模式控制成为一种处理线路或负载波动的相当滞后的方法。

CMC 从根本上修改了控制回路的传递函数。其基本前提是，通过对电感电流进行采样并将该信息纳入反馈环路，电路可以通过电感电流来调节输出电压。换句话说，直接控制的变量是电感电流，并且输出电压由于调节电感电流而自行调节。

与电压模式控制相比，CMC 显着增加了控制系统设计的复杂性。尽管如此，这是一种可行的方法，可以提高响应时间并简化环路补偿，而不会严重降低电路性能。

CMC运作

尽管细节会因转换器拓扑和所实施的 CMC 类型而异，但图 2 中的图表应该让您了解如何将电流模式控制合并到降压转换器中。

图 2.电流模式控制降压转换器。

电流检测电阻 (R SENSE) 生成与电感器电流成比例的电压。请注意，我使用的术语“电感器电流”有些宽松 - 通过检测电阻器的电流并不总是与通过电感器的电流相同。在上图中，检测电阻位于电感器的输出侧并与电感器串联，R SENSE两端的电压始终与瞬时电感器电流成正比。

还可以放置检测电阻，使其与功率级中的开关串联。这会在开关周期的接通部分产生与电感器电流成比例的电压。然而，对于升压转换器，电感器与输入电源串联。为了与电感器串联，检测电阻器必须位于电路的输入侧。

如图所示，电压反馈仍然存在——感测电感电流并不会取代感测输出电压。相反，这两种测量结果以一种允许环路通过控制电感器电流来响应输出偏差的方式组合。接下来，我们将讨论实现此目的的两种不同方法。

峰值电流模式控制与平均电流模式控制

峰值 CMC 和平均 CMC 代表控制电感器电流的两种不同方式。通过峰值 CMC，电感器电流（由R SENSE和放大器转换为电压）与误差信号进行比较。由此产生 PWM 波形，当瞬时电感器电流达到指定幅度时，该波形关闭开关。

通过平均 CMC，与电感器电流相对应的电压被传送到集成电流误差放大器。该放大器的输出成为 PWM 生成比较器的输入。外部生成的斜坡信号提供比较器的另一个输入。

我们上面检查的通用 CMC 图显示了峰值 CMC 方案。平均 CMC 看起来更像图 3。

图 3.具有平均 CMC（而不是峰值 CMC）控制方案的降压转换器。

平均 CMC 解决了峰值 CMC 的缺点，但它并不一定优越 - 与往常一样，每种方法都有优点和缺点。尽管普通 CMC 具有显着的理论优势，但这些优势并不总能转化为物理电路性能的显着提高。

总结

在本文中，我们回顾了开关稳压器的电压模式控制，解释了为什么电流模式控制是理想的替代方案，并回顾了有关 CMC 如何运行的一些介绍性信息。

审核编辑：汤梓红