數字控制挑戰傳統電源設計理念

電源設計之初所要求的基本決定之一是：采用電壓模式控制(VMC)還是采用電流模式控制(CMC)。對任何設計而言，交易存在于兩個(gè)執行方法之間。然而，由于數字控制方法的引入，這些已被嘗試并值得信賴(lài)的交易正面臨著(zhù)嚴峻挑戰。本文將研究這條繪制的主線(xiàn)，以及數字控制是如何在是否采用VMC還是采用CMC的交鋒中成為一種不可阻擋的再認知的。

方法

大量詳實(shí)的材料充分的描述了電流模式控制和電壓模式控制，因此本文只作一下簡(jiǎn)單的回顧。VMC由單個(gè)控制環(huán)路組成，該環(huán)路采用輸出電壓作為反饋信號。輸出電壓改變之后環(huán)路重新動(dòng)作產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)響應去替換。由于我們的目標是要維持一個(gè)恒定輸出電壓，因此緩慢響應是一個(gè)明顯的缺陷。CMC添加了一個(gè)外部反饋環(huán)路。除電壓控制環(huán)路外，它還對電流流向敏感以及對峰值電流到達時(shí)電源開(kāi)關(guān)的關(guān)斷動(dòng)作敏感。電流信號作為主要的控制環(huán)路。也許有人會(huì )認為VMC和CMC比較會(huì )有更緩慢的響應，但這種觀(guān)點(diǎn)是不正確的，因為環(huán)路響應最終是由系統帶寬決定的。兩種方法都可以設計出相同的環(huán)路帶寬，因此VMC并不一定必然比CMC慢。

克服VMC問(wèn)題

由此，讓我們研究一下傳統觀(guān)念，即為何VMC或CMC會(huì )成為首選方案。在推挽或全橋式電路拓撲中，流向開(kāi)關(guān)電路兩個(gè)管腳的電流也許并不總是相等。這將會(huì )導致FET失衡或定時(shí)錯誤。其網(wǎng)絡(luò )影響是會(huì )在變壓器上產(chǎn)生直流建立，這將會(huì )迅速的導致變壓器核飽和。傳統的方法是采用一個(gè)電容和主變壓器串聯(lián)起來(lái)。

該直流阻塞電容可耦合交流信號，這樣可以阻止變壓器核的飽和。這樣做的缺點(diǎn)是要和主電源路徑串聯(lián)，因此它必定是一個(gè)可靠器件。要求可供1kW電源使用、10uF等級的阻塞電容的額定值必定要超過(guò)全電壓波動(dòng)。而且，變壓器通常都要采用冗余設計來(lái)抑制飽和。由于CMC的控制環(huán)路在超過(guò)兩個(gè)管腳相同電流極限時(shí)關(guān)斷了電源開(kāi)關(guān)，因此CMC并不會(huì )因此表象受損。這意味著(zhù)變壓器中沒(méi)有直流電流建立。

圖1描述了數字控制是如何解決這個(gè)問(wèn)題的?？刂破鳒y量每個(gè)半橋電路的電流并計算其差值。差值信號驅動(dòng)主PWM信號對失衡進(jìn)行補償。從概念上來(lái)說(shuō)，此方法和CMC是相似的，這可以視為平均CMC而不是峰值CMC。

圖1：帶有集成電壓次級平衡電路的數字控制器。

環(huán)路穩定性和濾波

由于CMC環(huán)路近似為單極性滾輪(每十年-20°dB)的控制輸出傳遞功能，所以通常認為穩定CMC環(huán)路要比穩定VMC環(huán)路要容易。VMC環(huán)路近似為雙極性滾輪(每十年-40°dB)的傳遞控制，這樣使得補償網(wǎng)絡(luò )變得更加復雜。在另外一個(gè)領(lǐng)域里，數字控制在這場(chǎng)交鋒中呈現出了一個(gè)全新面貌。用戶(hù)友好型的圖形用戶(hù)接口(GUI)的出現意味著(zhù)環(huán)路補償已成為了簡(jiǎn)單任務(wù)。設計者輸入所需的濾波器響應，GUI就會(huì )計算濾波器實(shí)現響應所需的系數。不僅一個(gè)良好設計的GUI去掉了外部復雜性，而且也前進(jìn)了一大步，因為它使得整個(gè)補償程序比以前簡(jiǎn)單了很多。

圖2：濾波器補償圖形用戶(hù)接口。

VMC對環(huán)路穩定性的要求更為復雜。對不連續控制模式(DCM)和連續控制模式(CCM)而言，他們之間的傳遞功能是不同的。DCM和CCM兩者所要求的復雜補償使得它難于穩定系統。CCM和DCM模式中，CMC電路具有相似的傳遞功能，這將使得CMC較VMC電路更易于補償。數字控制的靈活性對此提供了一套完美的解決方案?？删幊虜底挚刂破骺烧{節其濾波器響應，且可判決什么時(shí)候是DCM或CCM模式，并由此確定采用一個(gè)合適的濾波器。由于模擬控制器需要不同的濾波器，因此對模擬控制領(lǐng)域而言這是一個(gè)不實(shí)際的選擇。

從環(huán)路穩定性角度來(lái)說(shuō)，CMC可抑制輸入電壓波動(dòng)。這是為何電源設計者認識到CMC較VMC是更優(yōu)選方法的另一原因。但是，可補償輸入電壓波動(dòng)的數字控制器可相應的補償數字濾波器。而且，對許多系統如開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)來(lái)說(shuō)，輸入電壓是通過(guò)電源因子糾正來(lái)穩壓的。這意味著(zhù)控制器可當作一個(gè)恒定輸入電壓。通常認為VMC較CMC具有更低的帶寬。該點(diǎn)的理由是額外因素嵌入到了濾波器設計確保了穩定性。

過(guò)電流保護

由于當峰值電流到達時(shí)CMC關(guān)斷了電源FET，所以CMC具有固有的峰值過(guò)流保護(OCP)功能。VMC僅僅為其控制環(huán)路采用了輸出電壓，因此需要專(zhuān)用電路執行OCP功能。但是，上述的變壓器平衡電路采用了平均電流模式控制。所以，如果數字控制器使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬比較器來(lái)實(shí)現峰值OCP功能，則它將和CMC一樣具有相同級別的保護功能。

圖3：專(zhuān)用快速OCP比較器。

結論

數字控制的出現使得電源設計正不可阻擋的挑戰著(zhù)傳統方法而重新認知。電壓模式控制的許多不利因素現在均可通過(guò)使用智能數字解決方案得到有效克服。該因素可成為將數字控制帶入到電流設計主流的頂峰。