- 自動控制技術在電源管理系統(tǒng)中的應用
- 采用電流型控制技術
- 使用電壓環(huán)作為電壓型控制
電源是各種電子設備不可或缺的組成部分, 其性能優(yōu)劣直接關系到電子設備的技術指標和可靠性指標。近年來, 隨著工業(yè)領域自控程度的不斷提高及民用電器產品的日益高檔化, 對穩(wěn)壓電源的結構和性能提出了越來越高的要求。高效、精確、集成、輕便己成為發(fā)展的趨勢和方向。
傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源雖具穩(wěn)定度高,輸出紋波電壓小等優(yōu)點, 但很難克服其功耗大、體積笨重、轉換效率低的不足。而開關電源則以其損耗低、效率高、電路簡潔等顯著優(yōu)點受到人們的青睞, 被譽為高效節(jié)能電源。開關電源的最大優(yōu)勢在于采用幾十甚至幾百的高頻電路, 這種高頻模式可以做到快速的動態(tài)響應和輸出反饋調節(jié)。開關電源由主電路與控制電路兩大部分組成。主電路的能量傳遞給負載電路, 控制電路則按照輸入、輸出條件控制主電路工作狀態(tài), 將控制電路集成化即成為開關電源管理控制。開關電源己有幾十年的發(fā)展歷史。集成電路設計與制造技術的進步以及供開關電源使用的新型元器件和材料的出現(xiàn), 為開關電源的蓬勃發(fā)展提供了必要條件。進入世紀以來, 開關式電能變換技術無論是技術理論還是產業(yè)進程, 都以爆炸式的速度飛速發(fā)展, 新技術、新產品不斷涌現(xiàn)。集成開關電源沿兩個方向不斷發(fā)展: 第一個方向是對開關電源的核心單元——控制電路實現(xiàn)集成化; 第二個方向則是對中、小功率開關電源實現(xiàn)單片集成化。單片開關電源集成電路具有集成度高、性價比高、外圍電路簡單、性能指標優(yōu)良等優(yōu)點, 是開發(fā)中小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的首選集成電路。由它構成的開關電源, 在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當, 而電源效率顯著提高, 體積和重量則大為減小。這就為新型開關電源的推廣與普及, 創(chuàng)造了良好的條件。隨著各種電池供電便攜式電子產品的快速增長, 對電源管理芯片, 特別是變換器的需求將進一步擴大。而電流控制模式由于其具有更好的電壓調整率和負載調整率, 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性得以明顯改善, 特別是其內在的限流能力和并聯(lián)均流能力可以使控制電路簡單可靠, 該技術在上世紀年代初公開以后就受到廣泛的重視。目前, 小功率變換器正從電壓控制模式向電流控制模式方向轉化。與電壓型相比, 電流型控制技術可以在逐個開關脈沖上響應負載電壓的和電流的變化, 從而改善電路的動態(tài)特性。
PWM比較器會輸出高開關管打開, 直到感應出的電感電流等于控制電壓。一旦這條件成立, PWM比較器輸出就為低, 把開關管關閉。通過一個固定頻率的時鐘信號設置一個RS觸發(fā)器來初始下一個周期的開始。通過這種方式, 電感的峰值電流被控制電壓精確控制。直觀地, 電流環(huán)使電感“扮演了”一個電流源, 這樣的結構有很多電流型控制的特性。
占空比是由電感電流和輸出電壓所決定的, 很難理解這樣的結構對變換器有什么作用。要對電流型控制重要特性有一個直觀的理解最好是從小信號個性分析入手。
一個峰值電流型控制的小信號框圖如圖1所示。圖中有兩個反饋環(huán): 外反饋環(huán)反饋電壓信息, 同時內部反饋環(huán)(Ti)反饋電流信息。電壓環(huán)作為電壓型控制（從輸出電壓誤差產生一個補償控制電壓）。
圖1 降壓型電流模式PWM開關電源原理框圖
電流環(huán)— Ti—是電流型控制結構的有區(qū)別的成分。電流環(huán)的輸入是控制電壓, 它與感應出的電感電流比較, 設置占空比。占空比轉入供電狀態(tài)（開關元件，電感, 輸出電容）, 產生相應的電感電流和輸出電壓。電感電流通過Ri感應出并反饋回去與Vc比較。
當電流環(huán)關閉時一個看似荒謬的情況出現(xiàn)了: 有兩個電抗性的元件（L和COUT）和的二階系統(tǒng)變?yōu)橐粋€一階系統(tǒng)。反饋理論對此提供了解釋。實際上, 反饋環(huán)控制電感電流很像一個反饋輸出電感量和負載值的電流源。因此, 當頻率低于電流環(huán)帶寬時, 電流型的供電狀態(tài)只有由ROUT//RLOAD阻抗控制的一階。
然而, 電流環(huán)對于供電狀態(tài)的影響不只是低頻。對在電流環(huán)內小信號電流擾動的分析顯示它很像一個分離時間采樣系統(tǒng)。這樣一個采樣和維持系統(tǒng)在多采樣開關頻率下有復雜的極點對。在可以高到開關頻率一半時, 對采樣和維持的二階近似可以得到精確的結果。這就是對一個電源帶寬的理論上的限制。
在峰值電流控制中幾個性能參數(shù)得到提升。關鍵的好處是極好的線性調整,簡單的補償設計, 對大的負載變化的快速響應, 固有的“ cycle-by-cycle”電流限制。電流模式的缺點及存在的問題:電流誤差及不穩(wěn)定性——需要斜坡補償；較淺的斜坡——抗噪聲能力差； 直流開環(huán)負載調整率差；在多路輸出降壓線路中環(huán)路不規(guī)律。
[page]
圖2是芯片內部電路原理圖, 與電壓模式相比, 電流模式增加了電流內環(huán)的電感電流采樣環(huán)節(jié)、補償斜坡、RS觸發(fā)器等模塊。工作原理: COMP腳的電壓正比于電感峰值電流。在一個周期的開始: 開關管M1是關閉的;M2 是打開的;COMP腳電壓高于電流感應放大器輸出; 而且電流比較器輸出是低。振蕩器時鐘信號的上升沿對RS觸發(fā)器置位。它的輸出關斷M2, 并且打開M1, 從而使SW腳和電感連接到輸入電源。不斷上升的電感電流被RS感應并通過電流感應放大器放大。斜坡補償與電流感應放大器輸出相加后通過電流比較器與誤差放大器輸出進行比較。當電流感應放大器輸出與斜坡補償?shù)男盘栔统^COMP腳電壓時,RS 觸發(fā)器被重置, 并且回到M1關斷, M2打開的初始狀態(tài)。如果電流感應放大器輸出與斜坡補償?shù)男盘栔臀闯^COMP腳電壓, 那么時鐘CLK的下降沿重置觸發(fā)器。誤差放大器的輸出反映了反饋電壓與帶隙基準電壓0.9V之間的差值。其極性:FB腳電壓低于0.9V, 則COMP腳電壓增加。由于COMP腳的電壓正比于電感峰值電流,所以COMP腳的電壓的增加使傳遞到輸出的電流也隨之增加。外部肖特基二極管在M1關斷時為電感續(xù)流。各模塊的功能描述見表1。
圖 2 電路原理框圖
表 1 內部模塊功能描述
