固定頻率脈寬調(diào)制 (PWM) 控制選擇電壓模式還是電流模式？

固定頻率脈寬調(diào)制 (PWM) 控制有兩種類型：電壓模式 (VM) 和電流模式 (CM)。圖 1 顯示了解釋這兩種控制類型的圖表。這個(gè)簡(jiǎn)單的框圖對(duì)于理解循環(huán)的不同部分非常有用。

圖 1：固定頻率 PWM 控制電源的框圖

VM 和 CM 之間的主要區(qū)別之一是輸入到 PWM 比較器的斜坡。在 VM 中，此斜坡是 PWM 控制器內(nèi)部生成的鋸齒波。在 CM 中，斜坡與測(cè)得的電流成比例地生成。這種 PWM 信號(hào)生成方式的微小差異會(huì)導(dǎo)致控制回路行為的重大差異。

考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的非隔離降壓轉(zhuǎn)換器。使用 VM 時(shí)，功率級(jí)將具有與電感值和輸出電容相關(guān)的雙極點(diǎn)響應(yīng)。當(dāng)使用相同的功率級(jí)但實(shí)施 CM 控制時(shí)，響應(yīng)變?yōu)榕c輸出電容和負(fù)載電阻相關(guān)的單極點(diǎn)。這意味著對(duì)于 VM 和 CM，我們需要不同類型的補(bǔ)償。

請(qǐng)記住，CM 控制使用與實(shí)際電流成比例的斜坡，因此我們必須有某種方法來(lái)測(cè)量該電流。測(cè)量電流并獲得清晰的信號(hào)是 CM 控制中最具挑戰(zhàn)性的部分。CM模式穩(wěn)壓器把流經(jīng)電感的電流作為反饋環(huán)路的一部分。PWM調(diào)制器的輸入信號(hào)為流經(jīng)電感的電流和誤差放大器輸出的誤差信號(hào)。流過電感的電流被檢測(cè)出并送去跟Vc進(jìn)行比較。Vc為誤差放大器的輸出。在CM控制模式下，為了避免在PWM信號(hào)占空比大于50%時(shí)產(chǎn)生次諧波振蕩，需要對(duì)電路進(jìn)行斜率補(bǔ)償。

對(duì)于CM 控制的主要問題是電流檢測(cè)信號(hào)拾取的開關(guān)噪聲，我們可以通過多種方式解決這個(gè)噪音問題。前沿消隱基本上忽略了電流檢測(cè)信號(hào)的前 50-100ns。這是有效的，但會(huì)導(dǎo)致最小的時(shí)間和故障保護(hù)問題。使用 RC 電阻器和電容器網(wǎng)絡(luò)來(lái)過濾信號(hào)也是一種選擇，但我們將再次遇到故障保護(hù)問題。因此，即使補(bǔ)償對(duì)于 CM 控制來(lái)說更容易，但它并不總是最佳選擇。

為什么要采用電流模式？進(jìn)一步觀察電流控制環(huán)路的響應(yīng)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)控制FET導(dǎo)通時(shí)，通過RSENSE的電流經(jīng)過電流檢測(cè)電路后變成電壓斜坡信號(hào)。電壓斜坡與電感中的斜坡電流成比例。經(jīng)過斜率補(bǔ)償?shù)碾妷盒逼赂`差放大器的輸出電壓進(jìn)行比較。圖中的CONTROLFET將保持導(dǎo)通，直到這兩個(gè)電壓相等。當(dāng)這兩個(gè)電壓相等時(shí)，圖中的CONTROLFET關(guān)閉。之后，通過固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)CLK來(lái)置位RS觸發(fā)器，開始下一個(gè)開關(guān)周期。這樣，流過CONTROL FET開關(guān)和電感的峰值電流，基本上由電壓控制環(huán)路決定。由于電感處在內(nèi)部的電流控制環(huán)路內(nèi)，CM控制模式消除了電感的極點(diǎn)和二階特征帶來(lái)的影響（這些影響在VM控制模式下是存在的）。因此，外部的電壓控制環(huán)路只存在單極點(diǎn)的輸出濾波器和負(fù)載電阻?？梢园袰M轉(zhuǎn)換器看成一個(gè)電流源。電路的輸出電容與并聯(lián)的負(fù)載阻抗構(gòu)成了單極點(diǎn)電路。該電流源給該單極點(diǎn)電路提供電流并對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。這意味著，對(duì)CM模式穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)定補(bǔ)償，總體來(lái)說要比VM控制器容易得多。

電源調(diào)整率定義為：輸入電壓變化引起的輸出電壓變化量。電源調(diào)整率跟控制至輸出傳遞函數(shù)的增益相關(guān)。由于CM結(jié)構(gòu)的控制至輸出傳遞函數(shù)的增益與輸入電壓無(wú)關(guān)，所以電源調(diào)整率非常好。另外，對(duì)于CM結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，單極點(diǎn)引入的相位/延遲較小。所以，相對(duì)于VM結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，峰值CM控制結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器具有更好的瞬態(tài)響應(yīng)。查看VM結(jié)構(gòu)的控制至輸出傳遞函數(shù)發(fā)現(xiàn)：輸入電壓會(huì)直接影響傳遞函數(shù)的增益。這導(dǎo)致電源調(diào)整率性能下降?，F(xiàn)在的VM轉(zhuǎn)換器通過采用電壓前饋技術(shù)，根據(jù)輸入電壓改變鋸齒波信號(hào)的斜率，解決了這一問題。表1所示為兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)2匯總。

既然CM有那么多優(yōu)點(diǎn)，為什么還要用VM控制模式？這是因?yàn)镃M設(shè)計(jì)要求兩個(gè)控制環(huán)路，并且電路復(fù)雜度比VM高。VM控制的穩(wěn)壓器可能更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。從歷史角度看，在輸入電壓工作范圍較寬，尤其是在低輸入電壓/輕負(fù)載時(shí)，電流斜坡的斜率可能太低，以至于CM 控制器不能穩(wěn)定工作。

我們?nèi)绾芜x擇可能適合我們的方法？表 1 顯示了兩種方法之間的一些權(quán)衡。

表 1：VM 和 CM 控制的優(yōu)點(diǎn)（黃色）和缺點(diǎn)（藍(lán)色）

電源設(shè)計(jì)服務(wù)已在 VM 和 CM 中完成了許多 TI 設(shè)計(jì)參考設(shè)計(jì)：

· 虛擬機(jī)控制 – PMP8962、PMP9559、PMP11140。

· CM 控制 – PMP9727、PMP10288、PMP10979、PMP10852、PMP10871、PMP9581_REVB。

CM 和 VM 控制之間的選擇并不總是那么容易或顯而易見，希望這里討論的主題將幫助我們?yōu)槲覀兊南到y(tǒng)做出正確的選擇。