用于DC-DC开关稳压器中PWM信号生成的电压和电流模式控制

       开关直流-直流电压转换器（"稳压器"）包括两个元件：控制器和功率级。功率级集成了开关元件，并将输入电压转换为所需的输出。控制器监控开关操作以调节输出电压。两者通过反馈环路连接，该反馈环路将实际输出电压与所需输出进行比较，以得出误差电压。
控制器是电源稳定性和精度的关键，几乎每个设计都使用脉宽调制（PWM）技术进行调节。产生PWM信号有两种主要方法：电压模式控制和电流模式控制。电压模式控制是第一位的，但其缺点（例如对负载变化的响应缓慢以及随输入电压变化的环路增益）促使工程师开发基于电流的替代方法。
如今，工程师可以使用任一控制技术从各种电源模块中进行选择。这些产品采用了克服上一代产品主要缺陷的技术。本文介绍了用于开关稳压器中PWM信号生成的电压和电流模式控制技术，并解释了每种应用最适合的位置。

电压模式控制
负责构建电源的设计人员可以使用分立元件构建单元，也可以将控制器和电源元件分开，也可以将两个元件集成到单个芯片中的电源模块。

但无论采用哪种设计技术，调节都很有可能采用（通常）固定频率的PWM技术。（恒定开关频率是可取的，因为它可以限制电源产生的电磁干扰 （EMI）。在电压模式控制的稳压器中，PWM信号是通过施加控制电压
（VC） 到一个比较器输入和一个锯齿电压 （V坡道）（或"PWM斜坡"）的固定频率，由时钟产生，到另一个（图1）。

图1：用于开关稳压器的PWM发生器。

PWM信号的占空比与控制电压成正比，并决定了开关元件导通的时间百分比，从而决定了输出电压（参见TechZone文章"使用PFM提高低负载下的开关DC/DC稳压器效率"）。控制电压由实际输出电压与所需输出电压（或基准电压）之间的差值得出。调制器增益Fm定义为导致占空比从0到100%的控制电压变化（Fm= d/VC= 1/V坡道).1

图2所示为典型开关稳压器的构建模块。功率级包括开关、二极管、电感器、变压器（用于隔离设计）和输入/输出电容器。该级将输入电压（VIN）转换为输出电压（VO）。稳压器的控制部分包括一个误差放大器，一个输入端的基准电压（等于所需输出）和另一个输入端的分压器输出。分压器由输出的反馈迹线馈电。误差放大器的输出提供控制电压（VC或"误差电压"），构成PWM比较器的一个输入。

图2：电压模式控制开关稳压器的控制部分和功率级。

电压模式控制的优点包括：单反馈环路使设计和电路分析更容易;使用大幅度斜坡波形为稳定调制过程提供良好的噪声裕量，并使用低阻抗功率输出，为多路输出电源提供更好的交叉调节。
但该技术也有一些明显的缺点。例如，负载的变化必须首先作为输出变化来检测，然后由反馈环路进行校正，从而导致响应缓慢。输出滤波器使电路补偿复杂化，由于环路增益随输入电压而变化，电路补偿可能变得更加困难。

电流模式控制
在20世纪80年代初，工程师提出了一种替代开关稳压技术，解决了电压模式控制方法的缺陷。
该技术称为电流模式控制，通过增加第二个环路反馈电感电流来推导PWM斜坡。该反馈信号由两部分组成：交流纹波电流和电感电流的直流或平均值。信号的放大形式被路由到PWM比较器的一个输入端，而误差电压则形成另一个输入。与电压模式控制方法一样，系统时钟决定了PWM信号频率（图3）。

图3：电流模式控制开关稳压器。这里PWM斜坡由输出电感电流产生的信号产生。

电流模式控制解决了电压模式控制的缓慢响应问题，因为电感电流以由输入和输出电压之间的差值决定的斜率上升，因此会立即响应线路或负载电压变化。另一个优点是，电流模式控制消除了电压模式控制方法随输入电压变化而产生的环路增益变化。此外，由于在电流模式控制电路中，误差放大器命令输出电流而不是电压，因此输出电感器对电路响应的影响最小化，补偿更容易。与电压模式控制器件相比，该电路还具有更高的增益带宽。
电流模式控制的其他优点包括通过箝位误差放大器的命令来固有的逐脉冲电流限制，以及在并联使用多个电源单元时简化负载共享。

有一段时间，电流模式控制似乎已经将电压模式控制交织在了历史中。然而，尽管它们花了一段时间才浮出水面，但工程师们发现电流模式控制稳压器带来了自己的设计挑战。
一个主要缺点是电路分析很困难，因为稳压器的拓扑结构现在包括两个反馈环路。第二个复杂因素是"内部"控制环路（承载电感电流信号）在占空比高于50%时不稳定性。另一个挑战来自这样一个事实，即由于控制环路来自电感输出电流，因此功率级的谐振会将噪声引入该内部控制环路。

将电流模式控制稳压器限制在低于50%的占空比会对器件的输入电压施加严重限制。幸运的是，不稳定问题可以通过在内回路中"注入"少量斜率补偿来解决。这种技术可确保 PWM 占空比的所有值都能稳定运行。斜率补偿是通过从误差放大器的输出中减去锯齿电压波形（以时钟频率运行）来实现的。或者，补偿斜率电压可以直接添加到电感电流信号中（图4）。

图4：具有斜率补偿功能的电流模式控制稳压器。数学分析表明，为了保证电流环路稳定性，补偿斜坡的斜率必须大于电流波形下斜率的一半。

市面上有许多电流模式控制稳压器。例如，Microsemi提供具有电流模式控制的NX7102同步降压（"降压"）稳压器。该芯片可接受4.75至18V的输入范围，并提供低至0.925V的可调输出，最大输出电流为3A，峰值效率介于90%至95%之间，具体取决于输入电压。就其本身而言，德州仪器提供广泛的电流模式控制稳压器。

几乎所有的开关稳压器都对开关元件采用PWM控制。

PWM信号由控制电压（通过从基准电压中减去输出电压而得出）与电压模式稳压器以时钟频率运行的锯齿波相结合产生，或者通过添加第二个环路反馈电流为电流模式类型。现代器件通过采用电压控制设计的电压前馈和电流模式单元的斜率补偿等技术，在很大程度上克服了旧设计的主要缺点。
这些创新的结果是，工程师对这两种类型的拓扑都有广泛的选择。当可能存在宽输入线路或输出负载变化时，在轻负载下（当电流模式控制斜坡斜率太浅而无法稳定PWM操作时），在嘈杂应用中（当功率级的噪声会进入电流模式控制反馈环路时），以及当需要具有良好交叉调节的多输出电压时，建议使用电压模式控制开关稳压器。
电流模式控制器件推荐用于电源输出为高电流或极高电压的应用。在特定频率下需要最快的动态响应，输入电压变化受到限制，并且在必须将成本和元件数量降至最低的应用中。

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