電流型控製原理及特點分析
發布時間：2012-02-20
中心議題：
一、電流型控製原理及特點
原理：
電流型脈寬調製(PWM)控製器是在普通電壓反饋PWM 控製環內部增加了電流反饋的控製環節,因而除了包含電壓型PWM 控製器的功能外,還能檢測開關電流或電感電流,實現電壓電流的雙環控製。控製原理框圖如下圖(圖1)所示。
圖 1 雙環電流型控製器原理圖
從圖 1 可以看出,電流型控製器有兩個控製閉合環路:一個是輸出電壓反饋誤差放大器A,用於與基準電壓比較後產生誤差電壓;另一個是變壓器初級(電感)中電流在Rs 上產生的電壓與誤差電壓進行比較,產生調製脈衝的脈寬,使得誤差信號對峰值電感電流起著實際控製作用。係統工作過程如下:假定輸入電壓下降,整流後的直流電壓下降,經電感延遲使輸出電壓下降,經誤差放大器延遲Vca 上升,占空比變化,從而維持輸出電壓不變,在電流環中電感的峰值電流也隨輸入電壓下降,電感電流的斜率di/dt 下降,導致斜坡電壓推遲到達Vca,使PWM 占空比加大,起到調整輸出電壓的作用。由於既對電壓又對電流起控製作用,所以控製效果較好在實際中得到廣泛應用。
特點：
a)由於輸入電壓Vi 的變化立即反映為電感電流的變化,不經過誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈衝寬度(電流控製環),因而使得係統的電壓調整率非常好,可達到0.01%V, 能夠與線性移壓器相比。
b)由於雙環控製係統內在的快速響應和高穩定性,反饋回路的增益較高,不會造成穩定性與增益的矛盾,使輸出電壓有很高的精度。
c)由於Rs 上感應出峰值電感電流,隻要Rs 上電平達到1V,PWM 控製器就立即關閉,形成逐個脈衝限流電路,使得在任何輸入電壓和負載瞬態變化時,功率開關管的峰值電流被控製在一定範圍內,在過載和短路時對主開關管起到有效保護。
d)誤差放大器用於控製,由於負載變化造成的輸出電壓變化,使得當負載減小時電壓升高的幅度大大減小,明顯改善了負載調整率。
e)由於係統的內環是一個良好的受控電流放大器,所以把電流取樣信號轉變成的電壓信號和一個公共電壓誤差放大器的輸出信號相比較,就可以實現並聯均流,因而係統並聯較易實現。
二、峰值電流控製與平均電流控製的比較
峰值電流模式控製和平均電流模式控製相比主要具有以下缺點:
(1)對噪聲敏感，峰值電流模式控製是將電感電流的上升沿(即開關電流)同設定的電流值相比較,當瞬態電流達到設定值,PWM比較器輸出翻轉將功率開關管關斷。電感電流上升到設定值的坡度即(Vin-Vout)/L 很小,特別是Vin 小時坡度更小,所以這種控製方法易受噪聲幹擾。每次開關管通斷時都會產生噪聲尖峰,並且耦合到控製電路的一個小電壓就能使開關管迅速關斷,使電路處於次諧波運作模式產生很大的紋波,所以對於峰值電流控製模式,電路布局和噪聲旁路設計對電路的正常工作很重要,平均電流模式控製可以簡化這部分工作。
(2)需斜坡補償,對於峰值電流控製,當占空比大於50%時擾動電流引起的電流誤差越變越大。所以尖峰電流模式控製在占空比大於50%時,電路工作不穩定,需給PWM比較器加坡度補償以使電路穩定。內部電流環的增益尖峰會使相移超出範圍,導致電路工作不穩定,使電壓環進入次諧波振蕩。這時在連續固定的驅動脈衝時,輸出占空比卻在變化,這時也需斜坡補償來抑製次諧波振蕩。
(3)具有尖峰值/平均值誤差,在尖峰電流控製模式中,隨著占空比的不同,電感電流的平均值亦不同,通過斜坡補償可以獲得不同占空比下一致的電感電流,但這也增加了電路的複雜性。另外電感電流的平均和峰值間也存在差值,在BUCK 電路中由於電感電流的紋波相對電感電流的平均值很小,並且存在電壓外環的校正作用,所以峰值和平均值的這種誤差可以忽略;在BOOST 電路中,峰值要跟隨輸入電網的正弦波,所以和平均值間的誤差很大,在小電流時,尤其是電流不連續時,如每半周期輸入電流過零時,這種誤差最大,它會使輸入電流波形畸變。這時就需要一個大電感來使電感電流的紋波變小,但這將使電感電流的坡度變窄,減小抗幹擾能力。
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平均電流控製和峰值電流控製相比的優點是:
① 具有高增益的電流放大器,平均電流可以精確地跟蹤電流設定值。這點應用在高功率因數控製電路中尤其重要,此時用一個小電感就能獲得小於3%的諧波畸變,並且即使電路模型由連續電流模式過渡到不連續電流模式,平均電流法也能很好地工作;
② 噪聲抑製能力強,因為當時鍾脈衝使功率開關管開通後,晶振幅度迅速降到了一個低值;
③ 無須斜坡補償,但為了電路工作穩定,在開關頻率附近必須限定環路增益;
④ 平均電流法可應用在任意電路拓撲上,既能控製BUCK和Flyback 電路的輸入電流,又能控
製Boost 和Flyback 電路的輸出電流。若加入到PWM比較器輸入端的波形坡度不合適,功率開關控製電路就會發生次諧波振蕩。峰值電流控製通過外加斜坡補償來防止這種振蕩;平均電流控製是由晶振幅度來提供足夠的補償坡度的。
所以,用平均電流模式解決次諧波問題更為合適。在平均電流模式中為了抑製次諧波和限定開關頻率附近電流放大器增益,在電路設計中必須遵循的一條標準是:接到PWM比較器的一個輸入端的電感電流下降沿不能大於接到PWM 比較器的另一個輸入端的晶振幅值坡度。這也間接設定了最大電流環路增益的交越頻率。
- 電流型控製原理及特點分析
- 峰值電流控製與平均電流控製的比較
- 用平均電流模式解決次諧波問題
一、電流型控製原理及特點
原理：
電流型脈寬調製(PWM)控製器是在普通電壓反饋PWM 控製環內部增加了電流反饋的控製環節,因而除了包含電壓型PWM 控製器的功能外,還能檢測開關電流或電感電流,實現電壓電流的雙環控製。控製原理框圖如下圖(圖1)所示。
圖 1 雙環電流型控製器原理圖
從圖 1 可以看出,電流型控製器有兩個控製閉合環路:一個是輸出電壓反饋誤差放大器A,用於與基準電壓比較後產生誤差電壓;另一個是變壓器初級(電感)中電流在Rs 上產生的電壓與誤差電壓進行比較,產生調製脈衝的脈寬,使得誤差信號對峰值電感電流起著實際控製作用。係統工作過程如下:假定輸入電壓下降,整流後的直流電壓下降,經電感延遲使輸出電壓下降,經誤差放大器延遲Vca 上升,占空比變化,從而維持輸出電壓不變,在電流環中電感的峰值電流也隨輸入電壓下降,電感電流的斜率di/dt 下降,導致斜坡電壓推遲到達Vca,使PWM 占空比加大,起到調整輸出電壓的作用。由於既對電壓又對電流起控製作用,所以控製效果較好在實際中得到廣泛應用。
特點：
a)由於輸入電壓Vi 的變化立即反映為電感電流的變化,不經過誤差放大器就能在比較器中改變輸出脈衝寬度(電流控製環),因而使得係統的電壓調整率非常好,可達到0.01%V, 能夠與線性移壓器相比。
b)由於雙環控製係統內在的快速響應和高穩定性,反饋回路的增益較高,不會造成穩定性與增益的矛盾,使輸出電壓有很高的精度。
c)由於Rs 上感應出峰值電感電流,隻要Rs 上電平達到1V,PWM 控製器就立即關閉,形成逐個脈衝限流電路,使得在任何輸入電壓和負載瞬態變化時,功率開關管的峰值電流被控製在一定範圍內,在過載和短路時對主開關管起到有效保護。
d)誤差放大器用於控製,由於負載變化造成的輸出電壓變化,使得當負載減小時電壓升高的幅度大大減小,明顯改善了負載調整率。
e)由於係統的內環是一個良好的受控電流放大器,所以把電流取樣信號轉變成的電壓信號和一個公共電壓誤差放大器的輸出信號相比較,就可以實現並聯均流,因而係統並聯較易實現。
二、峰值電流控製與平均電流控製的比較
峰值電流模式控製和平均電流模式控製相比主要具有以下缺點:
(1)對噪聲敏感，峰值電流模式控製是將電感電流的上升沿(即開關電流)同設定的電流值相比較,當瞬態電流達到設定值,PWM比較器輸出翻轉將功率開關管關斷。電感電流上升到設定值的坡度即(Vin-Vout)/L 很小,特別是Vin 小時坡度更小,所以這種控製方法易受噪聲幹擾。每次開關管通斷時都會產生噪聲尖峰,並且耦合到控製電路的一個小電壓就能使開關管迅速關斷,使電路處於次諧波運作模式產生很大的紋波,所以對於峰值電流控製模式,電路布局和噪聲旁路設計對電路的正常工作很重要,平均電流模式控製可以簡化這部分工作。
(2)需斜坡補償,對於峰值電流控製,當占空比大於50%時擾動電流引起的電流誤差越變越大。所以尖峰電流模式控製在占空比大於50%時,電路工作不穩定,需給PWM比較器加坡度補償以使電路穩定。內部電流環的增益尖峰會使相移超出範圍,導致電路工作不穩定,使電壓環進入次諧波振蕩。這時在連續固定的驅動脈衝時,輸出占空比卻在變化,這時也需斜坡補償來抑製次諧波振蕩。
(3)具有尖峰值/平均值誤差,在尖峰電流控製模式中,隨著占空比的不同,電感電流的平均值亦不同,通過斜坡補償可以獲得不同占空比下一致的電感電流,但這也增加了電路的複雜性。另外電感電流的平均和峰值間也存在差值,在BUCK 電路中由於電感電流的紋波相對電感電流的平均值很小,並且存在電壓外環的校正作用,所以峰值和平均值的這種誤差可以忽略;在BOOST 電路中,峰值要跟隨輸入電網的正弦波,所以和平均值間的誤差很大,在小電流時,尤其是電流不連續時,如每半周期輸入電流過零時,這種誤差最大,它會使輸入電流波形畸變。這時就需要一個大電感來使電感電流的紋波變小,但這將使電感電流的坡度變窄,減小抗幹擾能力。
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平均電流控製和峰值電流控製相比的優點是:
① 具有高增益的電流放大器,平均電流可以精確地跟蹤電流設定值。這點應用在高功率因數控製電路中尤其重要,此時用一個小電感就能獲得小於3%的諧波畸變,並且即使電路模型由連續電流模式過渡到不連續電流模式,平均電流法也能很好地工作;
② 噪聲抑製能力強,因為當時鍾脈衝使功率開關管開通後,晶振幅度迅速降到了一個低值;
③ 無須斜坡補償,但為了電路工作穩定,在開關頻率附近必須限定環路增益;
④ 平均電流法可應用在任意電路拓撲上,既能控製BUCK和Flyback 電路的輸入電流,又能控
製Boost 和Flyback 電路的輸出電流。若加入到PWM比較器輸入端的波形坡度不合適,功率開關控製電路就會發生次諧波振蕩。峰值電流控製通過外加斜坡補償來防止這種振蕩;平均電流控製是由晶振幅度來提供足夠的補償坡度的。
所以,用平均電流模式解決次諧波問題更為合適。在平均電流模式中為了抑製次諧波和限定開關頻率附近電流放大器增益,在電路設計中必須遵循的一條標準是:接到PWM比較器的一個輸入端的電感電流下降沿不能大於接到PWM 比較器的另一個輸入端的晶振幅值坡度。這也間接設定了最大電流環路增益的交越頻率。
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