電壓模式向電流模式轉變

小融一號

通常在討論這兩種工作模式的時候，所指的是理想的電壓模式和電流模式。然而，在實際的應用中，電壓模式的開關電源系統(tǒng)，即系統(tǒng)反饋環(huán)中沒有引入電流取樣信號，但也會采用其它的方式引入一定程度的電流反饋，電壓模式向電流模式轉變，從而提高系統(tǒng)動態(tài)響。

---

1 電壓模式輸出電容ESR取樣形成平均電流模式

理想的電壓模式在一定的反饋網(wǎng)絡參數(shù)下，很難在整個電壓輸入范圍和輸出負載變化范圍內都能穩(wěn)定的工作。輸出負載變化可以通過加大輸出電容同時使用ESR值大的電容來優(yōu)化其動特性，盡管這樣做導致系統(tǒng)的成本和體積增加，同時增大輸出的電壓紋波。

通常，從直觀上理解，輸出電容ESR和輸出電容形成一個零點，對于電流模式，這個零點不是必需的，因為電流模式是單階的系統(tǒng)，而且這個零點導致高頻的增益增加，系統(tǒng)容易受到高頻噪聲的干擾。所以電流模式或者使用ESR極低的陶瓷電容，使ESR零點提升到更高的頻率，就不會對反饋系統(tǒng)產生作用，或者再加入一個極點以抵消零點在高頻段的作用，加入極點的方法就是在ITH(Vc)管腳并一個對地的電容。

圖1：輸出電容ESR

電壓模式是LC形成的二階系統(tǒng)，這個零點的引入可以一定的程度上抵消LC雙極點的一個極點，使其向單階系統(tǒng)轉化。ESR越大，作用越明顯。因此電壓模式輸出電壓通常使用ESR大的電容。

另一方面，注意到，輸出電壓為：

Vo=Vco+ESR*DIL

DIL=a*Io

Vco為輸出電容的容抗上的電壓，DIL為電感的紋波電流，a為電流紋波系數(shù)，一般取0.2-0.4。

輸出電壓的小信號值為：

DVo=VDco+D(ESR*a*Io)

若ESR小，式中后面的一項基本可以忽略；但是，由于電壓模式通常使用ESR值較大的輸出電容，這樣ESR就不可以忽略，由于ESR的作用，相當于在輸入電壓的反饋信號中引入了一定程度的電流模式，電流模式反饋量為：D(ESR*a*Io)。

輸出電容的ESR將采樣的電流信號送到電壓誤差放大器的輸入端，和輸出電壓信號加在一起，經(jīng)過電壓誤差放大器放大，再送到PWM比較器，其工作的原理相當于平均電流反饋。在電壓模式中，使用ESR大的輸出電容，相當于引入一定程度的平均電流模式，從而增加系統(tǒng)對輸出負載變化的動態(tài)響應，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

---

2 電壓模式中輸入電壓前饋引入電流模式

對于輸入電壓的變化，目前通常采用輸入電壓前饋技術，來提高系統(tǒng)對輸入電壓變化的響應。電壓模式中，內部時鐘信號產生鋸齒波的斜率固定為k，圖2中的虛線所示。在沒有電壓前饋時，產生的占空比為D*Ts，則有以下公式：

Vc=k*D*Ts

輸入電壓前饋就是在內部鋸齒波上加入隨輸入電壓變化的斜坡，或者從Vc信號減去此斜坡。若采用輸入電壓前饋加在內部鋸齒波上的方式，若外加的前饋電壓斜坡的斜率為ks，內部鋸齒波和外加斜坡之和為：k+ks。

前饋前壓的斜率隨輸入電壓增加而增大，ks正比于Vin，即：ks正比于kVin*Vin，所以此時的占空比為：

D1=Vc/(k+ks)*Ts=Vc/(k+kVin*Vin)*Ts

占空比隨輸入電壓的增加立刻而減少，圖2中的實線所示，系統(tǒng)提前對輸入電壓變化做出相應的響應。

圖2：電壓模式加入輸入電壓前前饋

若不考慮效率，由功率平衡可以得到：Vin*Iin=Vo*Io，所以有：

ks=kVin*Vo*Io/Iin

從上式可以看到，所加的輸入電壓前饋信號也就是輸入的電流信號。事實上可以這樣理解：輸入電壓前饋技術也就是在理想的電壓模式中，疊加一定的電流反饋，以形成一定的電流反饋，從而增加系統(tǒng)對輸入電壓變化的響應。

文章來源：微信公眾號   融創(chuàng)芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺，項目眾包平臺，方案共享平臺）