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    直流電源的電壓模式與電流模式的比較分析

    直流電源的電壓模式控制

    這是最早的直流電源設(shè)計所采用的方法,而且多年來很好地滿足了業(yè)界的需要。基本的電壓模式控制配置示于

    這種設(shè)計的主要特性是只存在一條電壓反饋通路,而脈寬調(diào)制是通過將電壓誤差信號與一個恒定斜坡波形進行比較來完成的。

    電流限制必須單獨執(zhí)行。電壓模擬控制的優(yōu)點是:

    1. 采用單個反饋環(huán)路,因而比較容易設(shè)計和分析。

    2. 一個大幅度斜坡波形提供了用于實現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)制過程的充分噪聲裕量。

    3 . 一個低阻抗功率輸出為多輸出直流電源提供了更加優(yōu)良的交叉調(diào)制性能。

    電壓模式控制的缺點可列舉如下:

    1.電壓或負載中的任何變化都必須首先作為一個輸出變化來檢測,然后再由反饋環(huán)路來校正。這常常意味著緩慢的響應(yīng)速度。

    2.輸出濾波器給控制環(huán)路增加了兩個極點,因而在補償設(shè)計誤差放大器時就需要將主導(dǎo)極點低頻衰減,或在補償中增加一個零點。

    3.由于環(huán)路增益會隨著輸入電壓的變化而改變,因而使補償進一步地復(fù)雜化。

    直流電源的電流模式控制

    上述缺點比較突出,而且,由于電流模式控制使所有這些缺點均得以減輕,因此它一經(jīng)推出便引起了設(shè)計師們的極大興趣,他們紛紛研究這種拓撲結(jié)構(gòu)。由圖2 給出的示意圖可見,基本的電流模式控制只把振蕩器用作一個固定頻率時鐘,并用一個從輸出電感器電流中得到的信號替代了斜坡波形。

    這種控制方法的優(yōu)點如下:

    1.由于電感器電流以一個由 Vi n - Vo所確定的斜率上升,因此對于輸入電壓的變化該波形將立即做出響應(yīng),從而消除了延遲響應(yīng)以及隨著輸入電壓的變化而發(fā)生的增益變化。

    2.由于誤差放大器如今用于控制輸出電流而非電壓,因此輸出電感器的影響被降至最低,而且濾波器此時只給反饋環(huán)路提供了單個極點(至少在所關(guān)心的正常區(qū)域中)。與類似的電壓模式電路相比,這既簡化了補償,又獲得了較高的增益帶寬。

    3.采用電流模式電路的額外好處包括固有的逐個脈沖電流限制(只需對來自誤差放大器的控制信號進行箝位即可),以及在多個直流電源單元并聯(lián)時易于實現(xiàn)負載均盡管電流模式所提供的改進令人印象深刻,但這項技術(shù)也存在其特有的問題,必須在設(shè)計過程中予以解決。

    以下簡要羅列了它的部分缺點:

    1.如今有兩個反饋環(huán)路,因而增加了電路分析的難度。

    2.當(dāng)占空比大于50%時,控制環(huán)路將變得不穩(wěn)定,除非另外采取斜坡補償。

    3.由于控制調(diào)制基于一個從輸出電流中得到的信號,因此功率級中的諧振會將噪聲引入控制環(huán)路。

    4.一個特別討厭的噪聲源是前沿電流尖峰,通常是由變壓器繞組電容和輸出整流器恢復(fù)電流引起的。

    5.由于采用控制環(huán)來實施電流驅(qū)動,因此負載調(diào)整率變差,而且在多路輸出時需要耦合電感器以獲得可接受的交叉調(diào)制性能。

    于是,直流電源電路設(shè)計工程師由上可以得出結(jié)論:雖然電流模式控制將放寬電壓模式控制的許多限制,但它也將給設(shè)計師帶來諸多新的難題。不過,利用從更近期的功率控制技術(shù)發(fā)展中所獲得的知識,人們對電壓模式控制進行了重新評估,結(jié)果表明:針對其主要缺點還有一些其他的校正方法,UCC3570便是業(yè)界的研發(fā)成果。重新審視電壓模式控制UCC3570對電壓模式控制所做的兩項主要改進是電壓前饋和較高頻率能力,前者用于消除輸入電壓變化的影響,后者則允許將輸出濾波器的極點置于標準控制環(huán)路帶寬范圍以上。

    電壓前饋是通過使斜坡波形的斜率與輸入電壓成正比來實現(xiàn)的。這提供了一個對應(yīng)和校正的占空比調(diào)制,而無需反饋環(huán)路采取任何動作。結(jié)果是獲得了一個恒定的控制環(huán)路增益以及針對輸入電壓變化的瞬時響應(yīng)。較高頻率能力是通過對該IC使用BiCMOS加工工藝而得以實現(xiàn)的,這產(chǎn)生了較小的寄生電容和較低的電路延遲。于是,電壓模式控制的許多問題都有所緩解,而并未招致電流模式控制的麻煩。選擇電路拓撲結(jié)構(gòu)以上所有的討論均不應(yīng)給您留下“電流模式控制不再有用武之地”的印象——而只應(yīng)是“在當(dāng)今的環(huán)境中,電流模式和電壓模式這兩種拓撲結(jié)構(gòu)都可以是適用的選擇”。針對每一種特定的應(yīng)用,某些設(shè)計依據(jù)有可能表明這一種或另一種拓撲結(jié)構(gòu)更加適合。

    部分設(shè)計依據(jù)概述如下:在以下場合可考慮使用電流模式:

    1.直流電源輸出將是一個電流源或非常高的輸出電壓。

    2.對于某個給定的開關(guān)頻率,需要最快的動態(tài)響應(yīng)。

    3.應(yīng)用針對的是一個輸入電壓變化相對受限的DC/DC轉(zhuǎn)換器。

    4.需要可并聯(lián)性(parallelability)和負載均分的模塊化應(yīng)

    5.在變壓器磁通平衡很重要的推挽電路中。

    6.在要求使用極少組件的低成本應(yīng)用中。

    而在以下場合中則可以考慮使用具前饋的電壓模式:

    1.有可能存在很寬的輸入電壓和/或輸出負載變化范圍。

    2.特別是在低電壓-輕負載條件下,此時,電流斜坡斜率過于平緩,不利于實現(xiàn)穩(wěn)定的PWM操作。

    3.高功率應(yīng)用和/ 或噪聲應(yīng)用(這里,電流波形上的噪聲將難以控制)。

    4.需要多個輸出電壓以及較好的交叉調(diào)制性能。

    5.可飽和電抗器控制器將被用作輔助次級側(cè)穩(wěn)壓器。6.需要避免雙反饋環(huán)路和/或斜坡補償之復(fù)雜性的應(yīng)用。按照這些設(shè)計依據(jù),UCC3750針對中低功率、隔離、初級側(cè)控制應(yīng)用進行了優(yōu)化(借助隔離型前饋)。除了上述的控制特性之外,該器件還針對此類工作在性能方面實現(xiàn)了諸多的提升。

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