控壓型DC-DC變換器電流環(huán)路補償設計

O 引言

固定頻率峰值電流模式PWM(Pulse WidthModulation) DC-DC變換器同傳統(tǒng)的電壓模式控制相比，具有瞬態(tài)響應好，輸出精度高，帶載能力強等優(yōu)點，因而被廣泛應用。作為重要的模擬單元，斜坡補償電路和電流采樣電路是電流模式PWM控制的根基，對電流模式控制中電流環(huán)路的穩(wěn)定性起著重要作用。

1 電路結構

圖1所示是典型峰值電流模式PWM Boost DC-DC控制系統(tǒng)的結構框圖。當電壓外環(huán)的電壓反饋信號經過誤差放大器放大得到的誤差信號VE送至PWM比較器后，將與電流內環(huán)的一個變化的、其峰值代表輸出電感電流峰值的三角波或梯形尖角狀合成波信號VE比較，從而得到PWM脈沖關斷閾值。即：



在(1)式中：第一項為斜坡補償部分，用于保證電流環(huán)路的穩(wěn)定；第二項反映了電感電流的大小，通常由電流采樣電路產生；第三項用于產生一個固定的基礎電平，以為PWM比較器輸入端圖1 典型峰值電流模式PWMBoostDC―DC控制系統(tǒng)框圖提供一個合適的直流工作點。

因此，峰值電流模式控制不是用電壓誤差信號直接控制PWM脈沖寬度，而是通過控制峰值輸出端的電感電流大小，然后來間接地控制PWM脈沖寬度。



但是，電流模式的結構決定了其應用時存在電流內環(huán)在占空比大于50％時的開環(huán)不穩(wěn)定現象、亞諧波振蕩、非理想的環(huán)路響應，以及容易受噪聲影響等幾個固有缺點。針對上述問題，在環(huán)路的補償方式上，除了電壓環(huán)路的RC串聯補償之外，還必須對電流環(huán)路進行補償，以滿足電流環(huán)路的穩(wěn)定性要求。有效的解決方法是采用斜坡補償技術，并在提高電流采樣精度的同時降低采樣損耗，以保證電流環(huán)路的穩(wěn)定。

本文利用對振蕩器充放電電容上的電壓作V／I轉換來得到穩(wěn)定且斜率易于調節(jié)的補償斜坡，同時采用功率SENSEFET作為采樣器件，并結合設計簡潔的V／I變換，使采樣系數不受溫度和工藝的影響，從而在得到較高精度采樣值的同時，還減低了損耗。

2 電路原理分析

2．1 斜坡補償

圖2給出了在誤差信號VE上疊加斜坡補償電壓的方法。VE為電壓反饋回路的誤差放大信號，實線波形為未加擾動的電感電流，虛線為疊加△I0擾動量的電感電流，D為占空比，m1、m2分別為采樣得到的等效電感電流的上升和續(xù)流斜率。




由圖2(a)、(b)可知，若沒有斜坡補償，在下一個周期，該擾動電流為：


而經過n個周期后，由△I0引起的電流誤差△In為：


由式(3)可以看出，當m2m1，即D50％時，電流誤差△In將逐漸趨于0，故系統(tǒng)穩(wěn)定；而當m2>m1，即D>50％時，電流誤差△In將逐漸放大，從而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖2(c)是D>50％時，疊加補償電壓后的電感電流波形。對于該波形，有：


顯然，要使環(huán)路穩(wěn)定，必須使△I1△Io，即滿足：