电流型脉冲宽度调制(PWM)控制器在普通电压反馈PWM控制回路的基础上增加了电流反馈的控制回路。因此,除了具备电压型PWM控制器的功能外,它还能检测开关电流或电感电流,并实现电压和电流的双环控制。
该系统的工作过程如下:假设输入电压下降,经过整流后的直流电压也下降,通过电感延迟使输出电压下降,误差放大器延迟导致Vca上升,改变占空比,从而保持输出电压稳定。在电流环中,随着输入电压下降,电感的峰值电流也下降,电感电流的斜率di/dt减小,导致斜坡电压到达Vca的时刻延迟。这增加了PWM占空比,调节输出电压的作用。由于同时对电压和电流进行控制,因此在实际应用中可以获得较好的控制效果(类似于跷跷板效应,在系统控制的优劣方面,取决于跷跷板的长度和质量)。
特点
(1)由于输入电压Vi的变化会立即转化为电感电流的变化,无需经过误差放大器,在比较器中改变输出脉冲宽度(电流控制环),因此系统具有出色的电压调整速度,可达到0.01%V。与线性移压器相比,具有竞争力。
(2)双环控制系统快速响应和高稳定性,反馈回路增益较高,不会引发稳定性与增益之间的矛盾,从而使输出电压具有高精度。
(3)通过感应Rs上的峰值电感电流,在Rs电位达到1V时,PWM控制器将立即关闭,形成逐个脉冲限流电路。在任何输入电压和负载瞬态变化时,有效控制功率开关管的峰值电流,对主开关管在过载和短路情况下提供有效保护。
(4)误差放大器用于控制,可明显改善负载调整率。负载减少时,输出电压变化幅度大大减小。
(5)系统的内部环路是一个良好的受控电流放大器,将电流取样信号转化为电压信号,并与公共电压误差放大器的输出信号进行比较,实现并联均流,使系统更容易实现并联操作。
峰值电流控制与平均电流控制的比较
● 峰值电流模式控制
峰值电流控制使用电感电流的峰值作为内环电流量的采集,具有以下特点:
(1)动态特性简单可控,并将电感极点转移到高频段。
(2)提高了输出电压控制精度,并具有较大的相角裕度,无需采用超前补偿网络。
(3)必须采集半导体器件的电流信号,该信号还可用作过流保护的触发信号。
特点
(4)通过调节峰值电流来限制开关器件的最大峰值电流。
(5)解决了桥式电路和推挽式电路中常见的变压器磁芯饱和问题。
(6)峰值电流控制对噪声较为敏感,需要采取斜坡补偿措施。
噪声敏感性的解释
峰值电流模式控制是通过比较电感电流的上升沿(即开关电流)与设定的电流值来实现的。当瞬态电流达到设定值时,PWM比较器输出反转,关闭功率开关管。电感电流上升到设定值的速率,即(Vin-Vout)/L,通常很小,尤其是在Vin较小时。因此,这种控制方法容易受到噪声干扰的影响。每次开关管切换时会产生噪声尖峰,并且只需一个小电压干扰就足以迅速关闭开关管,使电路工作在次谐波模式下并产生大量纹波。因此,在峰值电流控制模式下,电路布局和噪声抑制设计对于确保电路正常运行至关重要。相比之下,平均电流模式控制可以简化这方面的工作。
斜坡补偿的解释
对于峰值电流控制而言,当占空比大于50%时,扰动电流引起的电流误差会逐渐增大。
因此,在占空比大于50%时,峰值电流模式控制下的电路工作不稳定,需要在PWM比较器中添加斜坡补偿以确保电路的稳定性。内部电流环的增益尖峰可能导致相移超出范围,进而导致电路的不稳定,使得电压环进入次谐波振荡状态。在连续固定的驱动脉冲下,输出占空比却会发生变化,此时需要斜坡补偿来抑制次谐波振荡。
通过斜坡补偿,可以实现在不同占空比下电感电流的一致性,但同时也增加了电路的复杂性。此外,电感电流的平均值和峰值之间存在差异。在BUCK电路中,由于电感电流的纹波相对于其平均值很小,并且存在电压环的校正效应,所以可以忽略峰值和平均值之间的误差;而在BOOST电路中,峰值需要跟随输入电网的正弦波,因此峰值和平均值之间的误差较大,特别是在小电流和电流不连续的情况下,例如每半个周期时输入电流过零点。这种误差会导致输入电流波形的变形。因此,需要采用较大的电感来减小电感电流的纹波,但这样做将使电感电流的斜率变小,从而降低其抗干扰能力。
平均电流控制
在平均电流控制中,通常选择电感电流作为反馈信号。为了采集电感电流中存在的大量纹波和开关谐波,常规做法是采用串联电阻或霍尔传感器进行测量。
相对于峰值电流控制,平均电流控制具有以下特点:
高增益的电流放大器,可快速跟踪电流设定值。在高功率因数控制电路中尤其重要。通过使用较小的电感,可以实现小于3%的谐波畸变,即使在电路从连续电流模式过渡到不连续电流模式时,平均电流控制仍能良好运行。
具备强大的噪声抑制能力,因为当时钟脉冲导通功率开关管后,晶振幅度会迅速降低到较低的水平。
无需斜坡补偿,但为确保电路的稳定运行,在开关频率附近需要限定环路增益。
平均电流控制适用于各种电路拓扑,既可以控制输入电流的BUCK和Flyback电路,也可以控制输出电流的Boost和Flyback电路。与峰值电流控制不同,平均电流控制通过晶振幅度提供足够的补偿斜率,而无需外部斜坡补偿来防止次谐波振荡。