解決SMPS應(yīng)用中電流模式控制的設(shè)計問題

早期開關(guān)電源(SMPS)設(shè)計采用的標(biāo)準(zhǔn)控制方法稱為“電壓模式”操作。斜坡發(fā)生器驅(qū)動電壓比較器的一個輸入端，來自誤差放大器/環(huán)路濾波器的誤差信號驅(qū)動另一個輸入端，見圖1。得到的是僅基于電壓誤差信號的PWM脈沖。該工作模式下的電路具有以下兩個局限性：一是沒有保護(hù)電路元件的限流功能，二是對輸入輸出的瞬態(tài)變化響應(yīng)緩慢。

圖1 電壓模式控制

電流模式控制

隨著SMPS設(shè)計的成熟，一種稱為“電流模式”控制的更安全的系統(tǒng)正逐步進(jìn)入設(shè)計師的視線。該系統(tǒng)使用由電感電流驅(qū)動的電流反饋信號取代了斜坡發(fā)生器。用這種方法得到的系統(tǒng)的電感峰值電流由誤差信號直接控制，從而根除了可能由過電流條件導(dǎo)致的電路故障，見圖2。由于電流模式控制的是電感電流，因而可有效地消除控制回路中由電感產(chǎn)生的“極點”和延遲，從而提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度。

圖2 電流模式控制

斜坡補(bǔ)償?shù)闹匾?/p>

大多數(shù)模擬電流模式PWM控制器的一個顯著問題是其只能測量峰值電流。因輸出電容是對平均電流進(jìn)行積分以產(chǎn)生所需輸出電壓，因此實際上需要的是測量平均電流的能力。通常，平均電流可以近似為峰值電流的一半。對于占空比小于50%的情況，在啟動下一個PWM周期前，電感電流有足夠的時間衰減到0。只要電感電流在PWM周期末達(dá)到0，平均電流就等于電感峰值電流的一半，見圖3。

圖3 占空比小于50%時，平均電流近似為峰值電流的一半

通常這種設(shè)計方案是可行的，但是當(dāng)占空比大于50%時，有些問題就會顯現(xiàn)出來。主要原因是平均電流不再近似為峰值電流的一半，見圖4。

圖4 占空比大于50%時，平均電流大于峰值電流的一半

隨著PWM占空比在大于等于50%的條件下繼續(xù)增加，平均電流就會越來越大于用測量峰值電流估計的值。得到的輸出電壓將會高于預(yù)期，并且持續(xù)上升直到較慢的電壓控制回路重新調(diào)整電流設(shè)定點。輸出電壓會下降到預(yù)期電壓以下，然后重復(fù)此過程(稱為子周期(sub-cycle)振蕩)。

為解決電流模式的不穩(wěn)定性問題，針對模擬電流模式控制器開發(fā)了名為“斜坡補(bǔ)償”的技術(shù)。通過在電壓誤差放大器生成的電流閾值上添加一個下降沿鋸齒波電壓，見圖5，為限流比較器生成新的電流閾值，使其能更緊密地跟蹤平均電感電流。

圖5 斜坡補(bǔ)償

數(shù)字電流模式控制中的設(shè)計問題

采用數(shù)字電流模式控制克服了模擬電流模式PWM控制器的許多局限性。SMPS中的數(shù)字電流模式控制非常有價值，因為它提供了許多功能，如晶體管峰值電流保護(hù)、消除磁性元件中的磁場“棘輪效應(yīng)”、輸入電壓變化抑制和簡單的控制回路補(bǔ)償。實現(xiàn)電流模式控制會帶來另一個好處，即使用誤差電壓控制電感電流的最大值，使電感成為電壓控制的電流源。作為電流源，電感不再在回路的頻率響應(yīng)中產(chǎn)生極點。這樣，回路從無條件不穩(wěn)定電路變?yōu)橛袟l件穩(wěn)定電路，這使得環(huán)路濾波器設(shè)計更加簡單。既然電流模式是如此優(yōu)越的系統(tǒng)，為什么數(shù)字SMPS設(shè)計師仍然使用電壓模式控制呢?

許多DSC沒有模擬比較器和可以在PWM周期的適當(dāng)點測量電感電流的ADC。缺少某些方法以在期望點及時精確地測量電流，DSC就必須不停地在PWM周期用ADC測量電感電流，以捕捉當(dāng)電感電流達(dá)到期望值的“瞬間”。為了達(dá)到12位分辨率，需要在每個PWM脈沖進(jìn)行多達(dá)2048次ADC電流轉(zhuǎn)換。所需的ADC的采樣速率為10億次/秒。另外，需要充足的處理能力來收集這10億次轉(zhuǎn)換，將每次轉(zhuǎn)換結(jié)果與誤差信號相比較，并在達(dá)到預(yù)期電流時，關(guān)閉PWM輸出。保守的說，這意味著需要一個每秒能執(zhí)行10億條指令(BIPS)的處理器。顯然，這不是一種解決該問題的低成本設(shè)計方案。

DSC簡化了SMPS電流模式控制的設(shè)計

那么設(shè)計師如何在數(shù)字SMPS設(shè)計中實現(xiàn)電流模式控制?答案就是使用具有支持SMPS設(shè)計的外設(shè)的最新數(shù)字信號控制器(DSC)。

當(dāng)用DSC實現(xiàn)SMPS設(shè)計時，有很多可行的方法可用來執(zhí)行電流模式控制。例如，Microchip的dsPIC30F202X DSC有以下特性：高分辨率數(shù)字PWM發(fā)生器、以每秒兩百萬次的采樣速度異步采樣和轉(zhuǎn)換信號的ADC、帶相關(guān)的10位參考數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的高速模擬比較器、30MIPS高性能具備DSP處理能力的控制器。