峰值电流模式控制中斜坡补偿应用

2018-03-29朱彩莲高龙郑晓东

电子设计工程 2018年2期

朱彩莲，高龙，郑晓东

（东莞职业技术学院电子工程系，广东东莞523808）

在开关电源中，PWM控制电路有电压模式和电流模式两种，电流模式控制电路除了有一个电压控制环外，还有一个响应速度快的电流控制环，电流模式控制电路对输入电压瞬态变化的响应速度快，在双环的共同控制下有更强的负载电流调整能力，同时也易于实现限流和过流保护。但是峰值电流模式恒定的是电感电流的峰值，输出电压存在反复调整的过程，同时在占空比超过50%时，存在控制环路工作不稳定等问题。文中阐述了问题形成的原因，提出了采用在电流采样波形上叠加斜坡补偿的方法，可使电流型控制的系统稳定工作。

1 峰值电流模式控制基本原理

峰值电流模式控制开关电源基本原理如图1（a）所示[1-2]。

图1 电流模式控制开关电源基本原理及工作波形

图中RS为电流检测电阻，检测功率开关管上的开关电流，当开关管闭合，Rs上的电压Us上升，当Us达到并超过误差放大器的输出电压Ue时，电流检测比较器翻转，输出的高电平使锁存器复位，从Q端输出的驱动信号由高电平翻转为低电平，使开关管关断，直到下一个时钟脉冲使PWM锁存器置位，驱动信号由低电平翻转为高电平，开关管再次导通。

当开关管导通时，电感电流增加，当开关管断开时，电感电流减小，图1（b）示出了电流模式控制下开关电源工作波形，图中Ue是误差放大器的输出电压，Us是初级电感电流在电流检测电阻上的电压，由工作波形可以看到，显然Ue控制了电感电流的峰值[3]。

2 峰值电流模式控制存在的问题

与电压模式控制电路相比，电流模式控制电路属于双环控制系统，电路的增益带宽更大，对输入电压瞬态变化的响应速度快，当输入电压发生变化时能迅速调整输出电压达到稳定值，同时也易于实现限流和过流保护。但电流模式控制系统存在以下问题：

2.1 恒定峰值电流与电感电流平均值的问题

稳态时，导通时间内电感电流上升的值和关断时间内电流下降的值是相等的，当输入电压不同，导通时间和关断时间是不同的。图2为不同输入电压下的输出电感电流波形。电流模式控制下，电感电流的峰值Ip是恒定的，而电感电流的平均值：

图2 不同输入电压下的输出电感电流波形

上式中m2=VO/LO是电感电流的下降斜率，Ip是电感峰值电流，T是振荡周期，所以输出电感的平均电流IAV与导通时间有关[4-5]。当输入电压高时，开关管导通时间短，输出电感电流的平均值低，如图中IAVh；反之，输出电感电流的平均值就高，如图中IAVl。

由于输出的直流电压是与输出电感电流的平均值成正比的，所以当输入电压下降时，电流内环使导通时间增加，导致输出电压增加，而输出电压增加通过电压外环又使导通时间减少，电压下降，这样反复调整可能在直流输出形成振荡。

2.2 对电感电流扰动的响应问题

如果由于某种原因电感电流产生了初始扰动电流△I0，则经过第一个周期后，电感电流会偏移△I1，如图3所示。

图3 初始扰动电流引起电感电流的偏移

△I0是初始扰动电流，m1、m2分别代表电感电流的上升和下降斜率。图中所示△I0的初始扰动，导致电流上升到峰值电流的时间提前，提前时间dt=△I0/m1。由于周期不变，则电流下降时间增加dt=△I0/m1，经过第一个周期，对应原导通结束时刻，电流比原来电流降低了△I1

经过n个周期后，

若占空比D（D=ton/T）小于50%（m2

3 峰值电流模式控制的斜坡补偿

解决上述问题的思路：使输出电感的平均电流与导通时间无关。

3.1 负斜率斜坡补偿

在误差放大器的输出叠加一个斜率为m，周期为T的负斜率斜坡电压，如图4所示[9-10]。

图4 斜坡补偿

图4（a）是斜坡补偿后不同占空比输出电感电流的波形，可以看到，补偿后，电感电流的平均值一致，与导通时间没有关系。图4（b）是当电感电流的占空比大于50%后，经过斜坡补偿后，可以看到，经过一个周期后扰动小于初始扰动。

以图1原理电路进行分析：若对电路进行斜坡补偿后，则在一个周期的导通时间ton内，误差放大器的输出下降为

式Ueo为时钟脉冲开始时误差放大器的输出。

图1中初级电流采样电阻Rs上的峰值电流电压Us为：

式中，Ipp、Isp分别为初级、次级的电感峰值，Isa是次级即输出电感的平均电流，dI2是关断期间次级电流的变化值[11]。

当US=Ue时，开关管由导通转为关断，所以

若上式中

则ton的系数为零，则，输出电感的平均值与导通时间无关。所以电流模式的补偿可在误差放大器的输出叠加一个斜率为的负斜坡电压，使输出电感的平均值与导通时间无关[12]。

3.2 正斜率斜坡补偿

不改变误差放大器的输出电压，直接在电流采用信号Us上叠加一个斜率为m，周期为T的正斜率斜坡电压，也可以达到以上目的。

因为此时采样电阻上的电压

从而有

4 峰值电流模式控制的斜坡补偿实现

一种斜坡补偿实现电路如图5所示，PWM控制采用集成芯片UC3842，应用正斜率斜坡补偿方法，采用从定时电容CT取出正斜率斜坡电压叠加在电流采样信号上实现斜坡补偿。

图5 斜坡补偿电路

查阅UC3842技术文档资料，定时电容由5 V参考电压经定时电阻RT从1.2 V充电至2.8 V，再由UC3842内部的一个恒流源放电，放电至1.2 V，如此反复[14]。开关管导通时，电容充电，其电压为：

从定时电容取出的正斜率斜坡电压通过R1和R2分压叠加在电流检测电阻RS两端的电压US上（图中RS远小于R1）。输入到电流检测端的电压为[15]：

选择合适的R1和R2，使叠加电压的斜率，就可以达到斜坡补偿的目的，使输出电感的平均电流与导通时间无关，有效解决电流模式控制中出现的问题。

5 结束语

电流模式控制电路在电压控制环的基础上增加了电流控制环，电路对输入的变化响应更快。但由于电流模式恒定的是电感电流的峰值，而输出电压是与输出电感电流的平均值成正比，电流内环、电压外环的反复调整易引起电路的不稳定。当占空比大于50%时，电路对干扰不收敛，易引起系统失控。本文通过斜波补偿的办法来减小电流控制模式存在的问题，并给出了一种具体的斜坡补偿实现电路。

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