PWM控制模式之峰值电流型控制 -电源网

上一篇讲述了开关电源的电压控制模式，这一篇趁热打铁总结一下电流控制模式的内容。其实电流控制模式的种类很丰富，包括峰值电流控制、平均电流控制、固定关断时间的峰值电流控制、相加峰值电流模式控制等。而峰值电流控制模式又是其它电流控制模式的基础，因此十分重要，下面就聊聊它的工作原理、优缺点和适用场景等。

如图1所示，是采用峰值电流型控制模式的BUCK电路原理图，如果仅关注控制部分，则它由误差放大器、补偿网络、比较器、电流采样电路等部分构成。误差放大器的同相端连接参考电压VREF，反向端连接feedback电压，输出端COMP电压为Ve。误差放大器的输出连接到PWM比较器的同相端，反向端输入信号为电流采样信号，它由输出电流采样电路转化得到。因此，峰值电流模式是双闭环控制系统，反馈有二个环路：电压外环和电流内环（我刚接触双环反馈这个术语时候特别不懂为什么叫双环，现在懂了，哈哈）。

图1.峰值电流模式控制电路

图2. 稳态下控制电路波形图

图2所示为稳态条件下峰值电流型控制模式的关键节点波形图，Ve是误差放大器输出信号，VS是上MOS管的电流采样信号。它的工作过程有两个阶段：

时钟振荡器输出脉冲信号为高电平，高端的开关管导通，开始一个开关周期，电感所加的电压为正，电感激磁，电流线性上升。由于电流采样电压VS低于误差放大器输出Ve的电压，PWM比较器持续输出高电压。
当电流采样电压VS上升到等于电压外环误差放大器的Ve电压信号时，PWM比较器的输出翻转，上管关断，低端的同步MOSFET或续流二极管导通，电感所加的电压为负，电感去磁，电流线性下降。直到下一个开关周期开始的时钟同步信号到来，如此反复。

其瞬态调解原理如下：

当输出负载增大时，输出电压降低，因此，Vc增大，线性增加的电感电流只有升高到更大的值才能使PWM电流比较器翻转，开关管导通的时间增长，占空比增加，输入功率增加，因此输出电压增加，当输出电压增加到调节的范围内时，系统保持平衡。
当输出负载降低时，输出电压升高，因此，Vc降低，线性增加的电感电流在较低的值就可以使PWM电流比较器翻转，开关管导通的时间缩短，占空比降低，输入功率降低，因此输出电压降低，当输出电压降低到调节的范围内时，系统保持平衡。

注意到：峰值电流模式中，外环的输出电压的电压误差放大信号为内环的电流信号的给定信号，因此内环的电流信号由外环的电压信号控制，由此可见，峰值电流模式的功率级实际上相当于一个电压控制的电流源，电流内环仅仅控制功率电感的电流的动态变化，而电压外环仅仅控制输出电压的动态变化，电感相当于在控制环路之外，形成一个单极点控制系统。

在峰值电流模式中，系统检测峰值电流，并在设定的峰值电流点关断，与平均电感电流大小变化相一致，但是峰值并不能和平均电感电流大小相对应，在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流可能对应着不同的平均电感电流，而平均电感电流才真正决定输出电压值。

对于电压模式的变换器,在电感电流连续时CCM，它以2极点系统方式工作，在电感电流非连续时DCM，则以单极点方式工作，所以两者需要不同的补偿电路。

对于电流模式,无论是电感电流连续CCM还是电感电流非连续DCM，都是以单极点方式工作，功率级的传递函数非常类似，即使是负载电流大幅的变动，传递函数本身却不会有大的变化，所以工作的负载范围非常宽，而且补偿电路也很简单。

峰值电流模式的优点：

（1）内在固有的逐个脉冲限流功能，具有自动磁通平衡功能。

（2）电感电流真正的软起动特性。

（3）峰值电流没有经过滤波取平均值，输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应速度快，动态响应快。

（4）一阶的系统，容易设计反馈环，反馈补偿简单，系统的稳定余量大，稳定性好，增益带宽大，即便是输出只用陶瓷电容，也容易设计补偿，补偿管脚只用简单的RC网络就能对输出负载瞬态做出稳定的响应。

（5）控制环与输入电压无关，内在的自动电压前馈，系统具有好的线性调整性能。

（6）精确快速的电流均流，易实现多相位/多变换器的并联操作得到更大输出电流。

（7）允许大的输入电压纹波从而减小输入滤波电容，提高了输入的功率因素。

（8）输出允许用陶瓷电容，体积更小，省空间、成本。