开关电源电压模式及电流模式的比较

随着目前电子电力设计的发展,开关电源深入了各种设备的设计当中。工程师们始终在寻找一种能够使开关电源的效率发挥到最大的控制结构,但实际上,并没有哪种控制结构对开关电源来说是最佳的。开关电源的最佳结构只能说根据某种特定的应用来进行选择。所以,熟悉每种方法的优缺点就是非常必要的。下面的讨论将说明电压控制模式和电流控制模式的长处和短处!

电压模式控制

首先我们先从电压模式控制说起,这是最早的开关稳压器设计所采用的方法,而且多年来很好的满足了电源的需求,基本的电压模式控制图如下图1;

这种模式只存在一条电压反馈通路,而脉宽调制通过将电压误差信号与一个恒定斜坡波形进行比较来实现的。而电流限制必须通过外加电路来实现!

一般定频的PWM频率不会随反馈的变化而变化的,只是脉宽会变化,就是平常所说的占空比,电压模式的VR为一个固定参考点,电流模式可以把检流的信号看成是一个参考点,当电源进入稳态时根据伏秒法则,VIN*TON=VOUT*TOFF.电源进入稳态不会出现信号不稳定的。

电压模式控制的优点:

1.采用单个反馈环路,因此比较容易设计和分析;

2.一个大幅度斜坡波形提供了用于实现稳定调制过程的充分噪声余量;

3.一个低阻抗功率输出为多路输出电源提供了更好的交叉调整率。

有优点就有缺点,那么缺点是:

1.电压或负载的任何变化都必须作为一个输出变压来检测,然后通过反馈来校正。这就意味着缓慢的响应速度;

2.输出滤波器给控制环路增加了两个极点,因而在补偿设计误差放大器时就需要将主导极点低频衰减,或在补偿中增加一个零点,来抵消极点;

3.环路增益会随着输入电压的变化而变化,因而使补偿进一步复杂化。

上述缺点比较突出,所以电流模式控制使所有这些缺点得以减轻,因此已退出便得到工程师们的极大兴趣,纷纷研究这种控制结构!

电流模式

电流模式控制如下图所示

 


由图可见,基本的电流模式控制只把振荡器作为一个固定频率时钟,并丛电感电流中得到的信号替代了斜坡波形

电流模式控制的优点:

1.由于电感电流以一个Vin-Vo所确定的斜率上升,因此对输入电压的变化该波形将立即作出响应,从而消除了延迟响应及随着输入变化而发生的增益变化···

2.由于误差放大器现在控制电流,因此电感器的影响被降至最低,而且滤波器此时只给反馈环路提供单个极点,与类似的电压模式相比既简化了补偿,又获得较高的增益带宽···

3.固有的逐个脉冲电流限制,只需对来自误差放大器的控制信号进行嵌位即可(像常用的3843之类的芯片被嵌位至1V),在电源并联时易于实现负载均分。(比如可以缓解推挽拓扑的偏磁现象)

尽管电流模式所提供的改进有诸多好处,但也存在其特有的问题,必须在设计中考虑进去。以下简要的叙述下它的缺点:

1.有两个反馈环路,增加了电路分析的男的;

2.当占空比大于50%时,控制环路将变得不稳定,需另外采取斜率补偿;

3.由于控制调制基于一个从输出电流中得到的信号,因此功率级中的谐振会将噪声引入控制环路;

4.由变压器绕组电容及次级整流管反向回复电流引起的电流尖峰;

5.由于采用控制环来实施电流驱动,因此负载调整率变差;

6.多路输出时需要耦合电感器以获得可接受的电压调整率。

虽然电流模式控制将放宽电压模式控制的许多限制,但也带来诸多设计难题。所以电压模式现在又有新的改进·那么这两项改进主要是电压前馈和高频能力,前者用于消除电压变化的影响,后者则将输出滤波器的极点置于标准控制环路带宽范围以外。

电压前馈是通过使斜坡波形的斜率与输入电压成正比来实现的。这样就提供了一个对应和校正的占空比调制,而无需反馈环路采取任何动作。获得了一个恒定的控制环路增益和针对输入电压变化的瞬时响应。

高频是通过对IC使用BiCOMS加工工艺而得以实现的,这产生了较小的寄生电容和较低的电路延迟。所以电压控制模式的许多问题都有所缓解·

在电压控制模式和电流控制模式中的选取

电压模式和电流模式都是可以选取的,只是针对每一种特定应用,某些设计那种控制模式更适合。

以下场合可以考虑使用电流模式:

1.电源输出将是一个电流源或非常高的输出电压;

2.对于某个给定的开关频率,需要最快的动态响应;

3.应用针对的是一个输入变化相对受限的DC-DC转换器;

4.需要可并联性和负载均分的模块化应用;

5.在变压器磁通很重要的推挽电路中;

6.在要求使用极少组件的低成本应用中。

以下场合可以考虑使用具有前馈功能的电压模式:

1.有可能存在很宽的输入电压和/或输出负载变化范围;

2.特别是在低电压-轻负载条件下,此时,电流斜坡斜率过于平缓,不利于实现稳定的PWM操作;

3.高功率应用和/或噪声应用(这里,电流波形上的噪声将难以控制);

4.需要多个输出电压以及较好的交叉调整性能;

5.可饱和电抗器控制器将被用作辅助次级侧稳压器;

6.需要避免双反馈环路和/或斜率补偿之复杂性的应用。

本篇文章主要对开关电源当中的电流模式及电压模式的特点及区别进行介绍,并且对最新的电压模式的特点进行了总结。希望大家能够从这边文章当中学习到有用的知识,或者借由本篇文章的知识点举一反三发现一些新的知识点。

 


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