峰值電流模式控制中斜坡補償應用

朱彩蓮，高龍，鄭曉東

（東莞職業技術學院電子工程系，廣東東莞523808）

在開關電源中，PWM控制電路有電壓模式和電流模式兩種，電流模式控制電路除了有一個電壓控制環外，還有一個響應速度快的電流控制環，電流模式控制電路對輸入電壓瞬態變化的響應速度快，在雙環的共同控制下有更強的負載電流調整能力，同時也易于實現限流和過流保護。但是峰值電流模式恒定的是電感電流的峰值，輸出電壓存在反復調整的過程，同時在占空比超過50%時，存在控制環路工作不穩定等問題。文中闡述了問題形成的原因，提出了采用在電流采樣波形上疊加斜坡補償的方法，可使電流型控制的系統穩定工作。

1 峰值電流模式控制基本原理

峰值電流模式控制開關電源基本原理如圖1（a）所示[1-2]。

圖1 電流模式控制開關電源基本原理及工作波形

圖中RS為電流檢測電阻，檢測功率開關管上的開關電流，當開關管閉合，Rs上的電壓Us上升，當Us達到并超過誤差放大器的輸出電壓Ue時，電流檢測比較器翻轉，輸出的高電平使鎖存器復位，從Q端輸出的驅動信號由高電平翻轉為低電平，使開關管關斷，直到下一個時鐘脈沖使PWM鎖存器置位，驅動信號由低電平翻轉為高電平，開關管再次導通。

當開關管導通時，電感電流增加，當開關管斷開時，電感電流減小，圖1（b）示出了電流模式控制下開關電源工作波形，圖中Ue是誤差放大器的輸出電壓，Us是初級電感電流在電流檢測電阻上的電壓，由工作波形可以看到，顯然Ue控制了電感電流的峰值[3]。

2 峰值電流模式控制存在的問題

與電壓模式控制電路相比，電流模式控制電路屬于雙環控制系統，電路的增益帶寬更大，對輸入電壓瞬態變化的響應速度快，當輸入電壓發生變化時能迅速調整輸出電壓達到穩定值，同時也易于實現限流和過流保護。但電流模式控制系統存在以下問題：

2.1 恒定峰值電流與電感電流平均值的問題

穩態時，導通時間內電感電流上升的值和關斷時間內電流下降的值是相等的，當輸入電壓不同，導通時間和關斷時間是不同的。圖2為不同輸入電壓下的輸出電感電流波形。電流模式控制下，電感電流的峰值Ip是恒定的，而電感電流的平均值：

圖2 不同輸入電壓下的輸出電感電流波形

上式中m2=VO/LO是電感電流的下降斜率，Ip是電感峰值電流，T是振蕩周期，所以輸出電感的平均電流IAV與導通時間有關[4-5]。當輸入電壓高時，開關管導通時間短，輸出電感電流的平均值低，如圖中IAVh；反之，輸出電感電流的平均值就高，如圖中IAVl。

由于輸出的直流電壓是與輸出電感電流的平均值成正比的，所以當輸入電壓下降時，電流內環使導通時間增加，導致輸出電壓增加，而輸出電壓增加通過電壓外環又使導通時間減少，電壓下降，這樣反復調整可能在直流輸出形成振蕩。

2.2 對電感電流擾動的響應問題

如果由于某種原因電感電流產生了初始擾動電流△I0，則經過第一個周期后，電感電流會偏移△I1，如圖3所示。

圖3 初始擾動電流引起電感電流的偏移

△I0是初始擾動電流，m1、m2分別代表電感電流的上升和下降斜率。圖中所示△I0的初始擾動，導致電流上升到峰值電流的時間提前，提前時間dt=△I0/m1。由于周期不變，則電流下降時間增加dt=△I0/m1，經過第一個周期，對應原導通結束時刻，電流比原來電流降低了△I1

經過n個周期后，

若占空比D（D=ton/T）小于50%（m2

3 峰值電流模式控制的斜坡補償

解決上述問題的思路：使輸出電感的平均電流與導通時間無關。

3.1 負斜率斜坡補償

在誤差放大器的輸出疊加一個斜率為m，周期為T的負斜率斜坡電壓，如圖4所示[9-10]。

圖4 斜坡補償

圖4（a）是斜坡補償后不同占空比輸出電感電流的波形，可以看到，補償后，電感電流的平均值一致，與導通時間沒有關系。圖4（b）是當電感電流的占空比大于50%后，經過斜坡補償后，可以看到，經過一個周期后擾動小于初始擾動。

以圖1原理電路進行分析：若對電路進行斜坡補償后，則在一個周期的導通時間ton內，誤差放大器的輸出下降為

式Ueo為時鐘脈沖開始時誤差放大器的輸出。

圖1中初級電流采樣電阻Rs上的峰值電流電壓Us為：

式中，Ipp、Isp分別為初級、次級的電感峰值，Isa是次級即輸出電感的平均電流，dI2是關斷期間次級電流的變化值[11]。

當US=Ue時，開關管由導通轉為關斷，所以

若上式中

則ton的系數為零，則，輸出電感的平均值與導通時間無關。所以電流模式的補償可在誤差放大器的輸出疊加一個斜率為的負斜坡電壓，使輸出電感的平均值與導通時間無關[12]。

3.2 正斜率斜坡補償

不改變誤差放大器的輸出電壓，直接在電流采用信號Us上疊加一個斜率為m，周期為T的正斜率斜坡電壓，也可以達到以上目的。

因為此時采樣電阻上的電壓

從而有

4 峰值電流模式控制的斜坡補償實現

一種斜坡補償實現電路如圖5所示，PWM控制采用集成芯片UC3842，應用正斜率斜坡補償方法，采用從定時電容CT取出正斜率斜坡電壓疊加在電流采樣信號上實現斜坡補償。

圖5 斜坡補償電路

查閱UC3842技術文檔資料，定時電容由5 V參考電壓經定時電阻RT從1.2 V充電至2.8 V，再由UC3842內部的一個恒流源放電，放電至1.2 V，如此反復[14]。開關管導通時，電容充電，其電壓為：

從定時電容取出的正斜率斜坡電壓通過R1和R2分壓疊加在電流檢測電阻RS兩端的電壓US上（圖中RS遠小于R1）。輸入到電流檢測端的電壓為[15]：

選擇合適的R1和R2，使疊加電壓的斜率，就可以達到斜坡補償的目的，使輸出電感的平均電流與導通時間無關，有效解決電流模式控制中出現的問題。

5 結束語

電流模式控制電路在電壓控制環的基礎上增加了電流控制環，電路對輸入的變化響應更快。但由于電流模式恒定的是電感電流的峰值，而輸出電壓是與輸出電感電流的平均值成正比，電流內環、電壓外環的反復調整易引起電路的不穩定。當占空比大于50%時，電路對干擾不收斂，易引起系統失控。本文通過斜波補償的辦法來減小電流控制模式存在的問題，并給出了一種具體的斜坡補償實現電路。

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