固定频率脉宽调制 (PWM) 控制选择电压模式还是电流模式?

作者:电工吧 日期:2022-06-06 19:42:05 人气: 栏目:


固定频率脉宽调制 (PWM) 控制有两种类型:电压模式 (VM) 和电流模式 (CM)。图 1 显示了解释这两种控制类型的图表。这个简单的框图对于理解循环的不同部分非常有用。

固定频率脉宽调制 (PWM) 控制选择电压模式还是电流模式?

1:固定频率 PWM 控制的框图

VM 和 CM 之间的主要区别之一是输入到 PWM 比较器的斜坡。在 VM 中,此斜坡是 PWM 控制器内部生成的锯齿波。在 CM 中,斜坡与测得的电流成比例地生成。这种 PWM 信号生成方式的微小差异会导致控制回路行为的重大差异。

考虑一个简单的非隔离降压转换器。使用 VM 时,功率级将具有与电感值和输出电容相关的双极点响应。当使用相同的功率级但实施 CM 控制时,响应变为与输出电容和负载相关的单极点。这意味着对于 VM 和 CM,我们需要不同类型的补偿。

请记住,CM 控制使用与实际电流成比例的斜坡,因此我们必须有某种方法来测量该电流。测量电流并获得清晰的信号是 CM 控制中最具挑战性的部分。CM模式稳压器把流经电感的电流作为反馈环路的一部分。PWM调制器的输入信号为流经电感的电流和误差放大器输出的误差信号。流过电感的电流被检测出并送去跟Vc进行比较。Vc为误差放大器的输出。在CM控制模式下,为了避免在PWM信号占空比大于50%时产生次谐波振荡,需要对电路进行斜率补偿。

对于CM 控制的主要问题是电流检测信号拾取的开关噪声,我们可以通过多种方式解决这个噪音问题。前沿消隐基本上忽略了电流检测信号的前 50-100ns。这是有效的,但会导致最小的时间和故障保护问题。使用 RC 和电容器网络来过滤信号也是一种选择,但我们将再次遇到故障保护问题。因此,即使补偿对于 CM 控制来说更容易,但它并不总是最佳选择。

为什么要采用电流模式?进一步观察电流控制环路的响应,我们发现当控制FET导通时,通过RSENSE的电流经过电流检测电路后变成电压斜坡信号。电压斜坡与电感中的斜坡电流成比例。经过斜率补偿的电压斜坡跟误差放大器的输出电压进行比较。图中的CONTROLFET将保持导通,直到这两个电压相等。当这两个电压相等时,图中的CONTROLFET关闭。之后,通过固定频率的时钟信号CLK来置位RS触发器,开始下一个开关周期。这样,流过CONTROL FET开关和电感的峰值电流,基本上由电压控制环路决定。由于电感处在内部的电流控制环路内,CM控制模式消除了电感的极点和二阶特征带来的影响(这些影响在VM控制模式下是存在的)。因此,外部的电压控制环路只存在单极点的输出滤波器和负载电阻。可以把CM转换器看成一个电流源。电路的输出电容与并联的负载阻抗构成了单极点电路。该电流源给该单极点电路提供电流并对其进行调节。这意味着,对CM模式稳压器进行稳定补偿,总体来说要比VM控制器容易得多。

电源调整率定义为:输入电压变化引起的输出电压变化量。电源调整率跟控制至输出传递函数的增益相关。由于CM结构的控制至输出传递函数的增益与输入电压无关,所以电源调整率非常好。另外,对于CM结构的转换器,单极点引入的相位/延迟较小。所以,相对于VM结构的转换器,峰值CM控制结构的转换器具有更好的瞬态响应。查看VM结构的控制至输出传递函数发现:输入电压会直接影响传递函数的增益。这导致电源调整率性能下降。现在的VM转换器通过采用电压前馈技术,根据输入电压改变锯齿波信号的斜率,解决了这一问题。表1所示为两种结构的优点/缺点2汇总。

既然CM有那么多优点,为什么还要用VM控制模式?这是因为CM设计要求两个控制环路,并且电路复杂度比VM高。VM控制的稳压器可能更具有价格优势。从历史角度看,在输入电压工作范围较宽,尤其是在低输入电压/轻负载时,电流斜坡的斜率可能太低,以至于CM 控制器不能稳定工作。


我们如何选择可能适合我们的方法?表 1 显示了两种方法之间的一些权衡。

固定频率脉宽调制 (PWM) 控制选择电压模式还是电流模式?

1:VM 和 CM 控制的优点(黄色)和缺点(蓝色)

电源设计服务已在 VM 和 CM 中完成了许多 TI 设计参考设计:

· 虚拟机控制 – PMP8962PMP9559PMP11140

· CM 控制 – PMP9727PMP10288PMP10979PMP10852PMP10871PMP9581_REVB

CM 和 VM 控制之间的选择并不总是那么容易或显而易见,希望这里讨论的主题将帮助我们为我们的系统做出正确的选择。



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