开关稳压器的电流模式控制

本文提供了电流模式控制的入门知识，这是一种广泛使用的电压模式控制的替代方案，可以更快地响应输入电压和负载电流的变化。

关于开关稳压器的介绍性文章有时会显示只描述功率级的图表，尽管如果你一直在阅读我关于开关稳压器技术和拓扑结构的文章，你就会知道这些电路需要功率级和控制器。虽然功率级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产生可预测、稳定输出的关键。

在我的闭环控制入门中，我们检查并模拟了一个电压控制电路。这一次，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

在我们进入主题之前，让我们简要回顾一下闭环控制的最简单方法。它遵循以下步骤：

输出电压通过电阻分压器反馈到误差放大器。

误差放大器产生与缩放的输出电压和参考电压之间的差成比例的误差信号。

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一个适当补偿的反馈回路中时，调节器将锁定在指定的输出电压上，并自动响应线路和负载的变化。这就是我们所说的电压模式控制。

下面，图1显示了通用电路的电压控制设置。

电路图显示了降压转换器的电压模式控制设置。

图1。电压模式控制方案。

电流模式控制

尽管直观有效，但电压模式控制有一个固有的局限性：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，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端一直传播到输出端。这减缓了过程，使电压模式控制成为处理线路或负载波动的一种相当滞后的方法。

CMC从根本上修改了控制回路的传递函数。其基本前提是，通过对功率级内电感器Lo的电流进行采样（图2），并将这些信息纳入反馈回路，电路可以通过电感器电流调节输出电压。换言之，直接控制下的变量是功率级的电感器电流，并且输出电压由于调节电感器的电流而自行调节。

DC-DC降压转换器功率级示例

图2:DC-DC降压转换器功率级的示例。

与电压模式控制相比，CMC为控制系统的设计带来了显著的复杂性。然而，这是一种可行的方法，可以提高响应时间并简化环路补偿，而不会以任何严重的方式降低电路性能。

CMC操作

尽管细节会因转换器拓扑结构和所实现的CMC类型而异，但图3中的图表应该让您了解如何将电流模式控制纳入降压转换器。

示出了降压转换器的电流模式控制，更具体地说是峰值电流模式控制的图。

图3。一种电流模式控制的降压转换器。

电流感测电阻器（RSENSE）产生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”有点松散——通过感应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，感测电阻器位于电感器的输出侧并与电感器串联，并且RSENSE两端的电压将始终与瞬时电感器电流成正比。

也可以定位感测电阻器，使其与功率级中的开关串联。这在开关周期的接通部分期间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，感测电阻器必须在电路的输入侧。

如图所示，电压反馈仍然存在——感应电感器电流并不能取代感应输出电压。相反，这两个测量值以允许回路通过控制电感器电流来响应输出偏差的方式进行组合。接下来，我们将讨论实现这一目标的两种不同方式。

峰值电流模式控制与平均电流模式控制

峰值CMC和平均CMC表示控制电感器电流的两种不同方式。对于峰值CMC，电感器电流（由RSENSE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PWM波形关断开关。

利用平均CMC，将与电感器电流相对应的电压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。外部产生的斜坡信号提供比较器的另一个输入。

我们在上面检查的通用CMC图显示了峰值CMC方案。平均CMC看起来更像图4。

显示降压转换器的平均CMC设置的示意图。

图4。具有平均CMC而不是峰值CMC的降压转换器控制方案。

平均CMC解决了峰值CMC的缺点，但并不一定优越——和往常一样，每种方法都有优缺点。尽管平均CMC提供了显著的理论优势，但这些优势并不总是转化为物理电路性能的显著提高。

下一篇

在这篇文章中，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一种理想的选择，并介绍了CMC如何操作的一些介绍性信息。下一次，我们将查看SPICE示意图，它将帮助我们更好地了解CMC降压转换器的电气行为。