前面把电压控制模式介绍完了,现在给大家介绍一下峰值电流控制模式。下图是峰值电流控制模式在模拟控制中的实现方式:
误差电压信号Vc送至PWM比较器反相端后,并不是像电压模式控制那样与振荡电路产生的固定三角波电压斜坡比较,而是作为电感电流峰值的参考信号,电感电流波形可以是三角波,也可以是梯形波,当电感电流的峰值达到Vc的值,PWM关断。
下面是具体的波形示意图:
Clock信号作为PWM的开始,设置Clock频率为PWM工作频率,电感电流线性上升,达到Vc控制电压,PWM关断。上图红色为主开关管电流波形,蓝色虚线是同步开关管(二极管)电流波形。
那么峰值电流有哪些优点呢?
1.由于直接采样电感电流,输入电压的变化会直接在电感电流上反映出来,因此,这种控制模式天然具有前馈补偿的功能,它能够對输入电压变化和输出负载变化快速响应;
2.峰值电流控制模式是一个双闭环控制系统,电压外环控制电流内环。电流内环是逐周期限流控制脉冲工作的。只有当误差电压Vc发生变化时,才会导致电感电流发生变化,误差电压Vc决定了电感电流上升的程度,进而决定功率开关的占空比,因此,内环可看作是一个电流源,功率级是由电流内环控制的电流源,而电压外环控制此功率级电流源。在这个双环控制中,电流内环只负责输出电感的动态变化,因而电压外环只需要控制输出电容电压,不必控制输出LC的储能电路。所以,峰值电流控制模式PWM具有比电压模式控制大得多的带宽。带宽越宽,相对来讲稳定性越好;
3.虽然电源的LC滤波电路为二阶电路,但增加了电流内环控制后,电感L产生的极点位于内部的电流环,输出电容的ESR及其变化仍然在外部的电压环,把LC产生的双极点进行剥离,而不是像电压控制模式L、C的双极点都在外部的电压环中;这一点是电压控制模式和电流控制模式在小信号分析上最大的差别;
4.由于峰值电流控制模式cycle by cycle 的控制峰值电流,因此具有简单自动磁通平衡功能;
5.峰值电流控制模式具有瞬时峰值电流限流功能,即峰值电流模式具有内在固有的逐个脉冲限流功能,过功率保护等。
峰值电流控制模式尽管相对于电压模式控制来讲有了很多的改善,但是也有它自身的一些不足:占空比>50%后环路不稳定(次谐波震荡),需要加斜率补偿进行改善。后面章节在做详细介绍。
峰值电流控制的小信号交流等效模型是设计电压控制器(外环)的基础,只有弄清楚了电流内环的小信号模型,才可以对电压外环进行参数的设计。在CCM控制模式中,占空比d(t)不仅受ic(t)控制,还受变换器的电压和电流的控制。因此,CCM型变换器是一个多输入单输出的控制系统。
含有电流内环和电压外环的系统框图
在进行小信号分析时,可以假定电感电流的平均值等于控制量ic(t),这个假定也就意味着忽略了电流谐波补偿和电感电流纹波的影响。在这个假定的基础上,电感电流不再是独立的状态变量。在小信号传递函数中,它也不再会产生一个极点,从而系统将简化为一阶系统。由于反馈信号电路与电压模式相比,减少了一阶,因此误差放大器的控制环补偿网络可以得到简化(比如电压模式需要采用3p3z补偿器,那么峰值电流控制模式采用2p2z就可以了),稳定度得到了提高并且改善了频率响应,同时还具有更大的增益带宽积。因此,在变换器的输出端,增益和相位是由并联的输出电容和负载电阻确定的。这样,电路最多只有90°相移和-20dB/十倍频的增益衰减而不是-40dB/十倍频的增益衰减。
下图是利用kp法获取的电压外环的Bode图:
系统相当于一个一阶系统,相移最大90°,增益穿越0dB时是以-20dB/十倍频,所以电压控制环一定是稳定的。我们可以看到系统直流增益只有20多个dB,所以需要提高低频增益,以减小稳态误差。可以提供一个零极点以此来提高低频增益,然后为了在穿越0dB之前需要抵消这个极点,还需要提供一个零点用来抵消极点的影响。然后增益曲线以-1斜率穿越0dB线。在高频段75kHz左右,由于电容ESR提供一个零点(这个在前面做电压模式控制环路补偿时有介绍过),使增益曲线变得比较平坦,所以需要在这里增加一个极点。然后再有输出电容在更高频段提供一个极点,用以衰减高频信号。
以上是利用模拟控制实现的方式,下面给大家介绍一下如何利用dspic实现同步buck的峰值电流控制模式。
关于它具体的实现原理,可以参考B站的视频:https://www.bilibili.com/video/BV1Lr4y127Q4?spm_id_from=333.999.0.0
下面是利用dsPIC实现的峰值电流控制同步Buck的波形: