- 自動控制技術(shù)在電源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用
- 采用電流型控制技術(shù)
- 使用電壓環(huán)作為電壓型控制
電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分, 其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和可靠性指標(biāo)。近年來, 隨著工業(yè)領(lǐng)域自控程度的不斷提高及民用電器產(chǎn)品的日益高檔化, 對穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)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(diǎn), 但很難克服其功耗大、體積笨重、轉(zhuǎn)換效率低的不足。而開關(guān)電源則以其損耗低、效率高、電路簡潔等顯著優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞, 被譽(yù)為高效節(jié)能電源。開關(guān)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(yīng)和輸出反饋調(diào)節(jié)。開關(guān)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(fù)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(guān)電源管理控制。開關(guān)電源己有幾十年的發(fā)展歷史。集成電路設(shè)計與制造技術(shù)的進(jìn)步以及供開關(guān)電源使用的新型元器件和材料的出現(xiàn), 為開關(guān)電源的蓬勃發(fā)展提供了必要條件。進(jìn)入世紀(jì)以來, 開關(guān)式電能變換技術(shù)無論是技術(shù)理論還是產(chǎn)業(yè)進(jìn)程, 都以爆炸式的速度飛速發(fā)展, 新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。集成開關(guān)電源沿兩個方向不斷發(fā)展: 第一個方向是對開關(guān)電源的核心單元——控制電路實(shí)現(xiàn)集成化; 第二個方向則是對中、小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。單片開關(guān)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(biāo)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn), 是開發(fā)中小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的首選集成電路。由它構(gòu)成的開關(guān)電源, 在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng), 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(guān)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(chǎn)品的快速增長, 對電源管理芯片, 特別是變換器的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。而電流控制模式由于其具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)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(nèi)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(shù)在上世紀(jì)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(zhuǎn)化。與電壓型相比, 電流型控制技術(shù)可以在逐個開關(guān)脈沖上響應(yīng)負(fù)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(guān)管打開, 直到感應(yīng)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(guān)管關(guān)閉。通過一個固定頻率的時鐘信號設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)生一個補(bǔ)償控制電壓）。
圖1 降壓型電流模式PWM開關(guān)電源原理框圖
電流環(huán)— Ti—是電流型控制結(jié)構(gòu)的有區(qū)別的成分。電流環(huán)的輸入是控制電壓, 它與感應(yīng)出的電感電流比較, 設(shè)置占空比。占空比轉(zhuǎn)入供電狀態(tài)（開關(guān)元件，電感, 輸出電容）, 產(chǎn)生相應(yīng)的電感電流和輸出電壓。電感電流通過Ri感應(yīng)出并反饋回去與Vc比較。
當(dāng)電流環(huán)關(guān)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(shí)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(fù)載值的電流源。因此, 當(dāng)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(nèi)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(guān)頻率下有復(fù)雜的極點(diǎn)對。在可以高到開關(guān)頻率一半時, 對采樣和維持的二階近似可以得到精確的結(jié)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(guān)鍵的好處是極好的線性調(diào)整,簡單的補(bǔ)償設(shè)計, 對大的負(fù)載變化的快速響應(yīng), 固有的“ cycle-by-cycle”電流限制。電流模式的缺點(diǎn)及存在的問題:電流誤差及不穩(wěn)定性——需要斜坡補(bǔ)償；較淺的斜坡——抗噪聲能力差； 直流開環(huán)負(fù)載調(diào)整率差；在多路輸出降壓線路中環(huán)路不規(guī)律。
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圖2是芯片內(nèi)部電路原理圖, 與電壓模式相比, 電流模式增加了電流內(nèi)環(huán)的電感電流采樣環(huán)節(jié)、補(bǔ)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(guān)管M1是關(guān)閉的;M2 是打開的;COMP腳電壓高于電流感應(yīng)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(guān)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(yīng)并通過電流感應(yīng)放大器放大。斜坡補(bǔ)償與電流感應(yīng)放大器輸出相加后通過電流比較器與誤差放大器輸出進(jìn)行比較。當(dāng)電流感應(yīng)放大器輸出與斜坡補(bǔ)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(guān)斷, M2打開的初始狀態(tài)。如果電流感應(yīng)放大器輸出與斜坡補(bǔ)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(zhǔn)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(guān)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(nèi)部模塊功能描述
