解決SMPS應用中電流模式控制的設計問(wèn)題

早期開(kāi)關(guān)電源(SMPS)設計采用的標準控制方法稱(chēng)為“電壓模式”操作。斜坡發(fā)生器驅動(dòng)電壓比較器的一個(gè)輸入端，來(lái)自誤差放大器/環(huán)路濾波器的誤差信號驅動(dòng)另一個(gè)輸入端，見(jiàn)圖1。得到的是僅基于電壓誤差信號的PWM脈沖。該工作模式下的電路具有以下兩個(gè)局限性：一是沒(méi)有保護電路元件的限流功能，二是對輸入輸出的瞬態(tài)變化響應緩慢。

圖1 電壓模式控制

電流模式控制

隨著(zhù)SMPS設計的成熟，一種稱(chēng)為“電流模式”控制的更安全的系統正逐步進(jìn)入設計師的視線(xiàn)。該系統使用由電感電流驅動(dòng)的電流反饋信號取代了斜坡發(fā)生器。用這種方法得到的系統的電感峰值電流由誤差信號直接控制，從而根除了可能由過(guò)電流條件導致的電路故障，見(jiàn)圖2。由于電流模式控制的是電感電流，因而可有效地消除控制回路中由電感產(chǎn)生的“極點(diǎn)”和延遲，從而提高系統的瞬態(tài)響應速度。

圖2 電流模式控制

斜坡補償的重要性

大多數模擬電流模式PWM控制器的一個(gè)顯著(zhù)問(wèn)題是其只能測量峰值電流。因輸出電容是對平均電流進(jìn)行積分以產(chǎn)生所需輸出電壓，因此實(shí)際上需要的是測量平均電流的能力。通常，平均電流可以近似為峰值電流的一半。對于占空比小于50%的情況，在啟動(dòng)下一個(gè)PWM周期前，電感電流有足夠的時(shí)間衰減到0。只要電感電流在PWM周期末達到0，平均電流就等于電感峰值電流的一半，見(jiàn)圖3。

圖3 占空比小于50%時(shí)，平均電流近似為峰值電流的一半

通常這種設計方案是可行的，但是當占空比大于50%時(shí)，有些問(wèn)題就會(huì )顯現出來(lái)。主要原因是平均電流不再近似為峰值電流的一半，見(jiàn)圖4。

圖4 占空比大于50%時(shí)，平均電流大于峰值電流的一半

隨著(zhù)PWM占空比在大于等于50%的條件下繼續增加，平均電流就會(huì )越來(lái)越大于用測量峰值電流估計的值。得到的輸出電壓將會(huì )高于預期，并且持續上升直到較慢的電壓控制回路重新調整電流設定點(diǎn)。輸出電壓會(huì )下降到預期電壓以下，然后重復此過(guò)程(稱(chēng)為子周期(sub-cycle)振蕩)。

為解決電流模式的不穩定性問(wèn)題，針對模擬電流模式控制器開(kāi)發(fā)了名為“斜坡補償”的技術(shù)。通過(guò)在電壓誤差放大器生成的電流閾值上添加一個(gè)下降沿鋸齒波電壓，見(jiàn)圖5，為限流比較器生成新的電流閾值，使其能更緊密地跟蹤平均電感電流。

圖5 斜坡補償

數字電流模式控制中的設計問(wèn)題

采用數字電流模式控制克服了模擬電流模式PWM控制器的許多局限性。SMPS中的數字電流模式控制非常有價(jià)值，因為它提供了許多功能，如晶體管峰值電流保護、消除磁性元件中的磁場(chǎng)“棘輪效應”、輸入電壓變化抑制和簡(jiǎn)單的控制回路補償。實(shí)現電流模式控制會(huì )帶來(lái)另一個(gè)好處，即使用誤差電壓控制電感電流的最大值，使電感成為電壓控制的電流源。作為電流源，電感不再在回路的頻率響應中產(chǎn)生極點(diǎn)。這樣，回路從無(wú)條件不穩定電路變?yōu)橛袟l件穩定電路，這使得環(huán)路濾波器設計更加簡(jiǎn)單。既然電流模式是如此優(yōu)越的系統，為什么數字SMPS設計師仍然使用電壓模式控制呢?

許多DSC沒(méi)有模擬比較器和可以在PWM周期的適當點(diǎn)測量電感電流的ADC。缺少某些方法以在期望點(diǎn)及時(shí)精確地測量電流，DSC就必須不停地在PWM周期用ADC測量電感電流，以捕捉當電感電流達到期望值的“瞬間”。為了達到12位分辨率，需要在每個(gè)PWM脈沖進(jìn)行多達2048次ADC電流轉換。所需的ADC的采樣速率為10億次/秒。另外，需要充足的處理能力來(lái)收集這10億次轉換，將每次轉換結果與誤差信號相比較，并在達到預期電流時(shí)，關(guān)閉PWM輸出。保守的說(shuō)，這意味著(zhù)需要一個(gè)每秒能執行10億條指令(BIPS)的處理器。顯然，這不是一種解決該問(wèn)題的低成本設計方案。

DSC簡(jiǎn)化了SMPS電流模式控制的設計

那么設計師如何在數字SMPS設計中實(shí)現電流模式控制?答案就是使用具有支持SMPS設計的外設的最新數字信號控制器(DSC)。

當用DSC實(shí)現SMPS設計時(shí)，有很多可行的方法可用來(lái)執行電流模式控制。例如，Microchip的dsPIC30F202X DSC有以下特性：高分辨率數字PWM發(fā)生器、以每秒兩百萬(wàn)次的采樣速度異步采樣和轉換信號的ADC、帶相關(guān)的10位參考數模轉換器(DAC)的高速模擬比較器、30MIPS高性能具備DSP處理能力的控制器。