深入剖析电流模式控制在PWM开关稳压器中的优势及斜坡补偿机制

电流模式控制是一种在开关电源（如DC-DC转换器）中广泛应用的控制技术，尤其是在脉宽调制（PWM）开关稳压器的设计中。其基本思想是通过直接检测和控制功率开关电路中的电感电流来达到稳定输出电压的目的，而不是像电压模式控制那样直接控制输出电压。

在电流模式控制中，控制器通过监测电感器的峰值电流或平均电流，并将其与一个参考电流信号进行比较。当电感电流达到预定的阈值（即峰值电流或经过误差放大器处理后的平均电流目标值）时，@控制器会改变开关的占空比，从而调节通过电感器的平均电流，进而控制输出电压的稳定。电流模式控制的优势包括快速的瞬态响应和易于实现多环路控制（比如电压外环和电流内环相结合的双闭环控制），有助于改善系统的稳定性及负载调整率。

然而，#电流模式控制#也引入了一些特有的设计挑战，如次谐波振荡、斜坡补偿需求以及更高的噪声敏感度。特别是对于大占空比的应用场景，有时需要采用特殊的技术来维持电流控制环路的稳定性。尽管如此，由于其优越的动态性能，电流模式控制仍广泛应用于各种高性能电源转换器设计中。

1.电流模式控制的优点

      在传统的电压模式控制开关调节器中，通过将具有固定频率和锯齿电压的控制电压施加到比较器的输入来产生脉宽调制(PWM)信号(下文中称为“PWM斜坡”)。时钟，到另一个。调节器的输出电压与生成的 PWM 方波的占空比成正比。在另一种设计中，电流模式控制调节器因其具有许多优点而变得流行。例如，电流模式控制调节器比电压模式对线路或负载电压变化的响应更快，它消除了电压模式输入电压的环路增益变化的缺点，补偿更容易实现，并且电路还与电压模式相比，显示出更高的增益带宽。 电流模式控制稳压器通过添加第二个环路来馈电，以不同于后面的电压模式等效环路。电感电流，然后有助于 PWM 斜坡的推导。反馈信号由两部分组成：交流纹波电流和直流或电感电流的平均值。信号的放大版本被路由至 PWM 比较器的一个输入，误差电压（Ve，参考电压与输出电压之间的差）形成另一输入。由于采用电压模式控制方式，系统时钟决定了PWM信号的频率（图1）

图 1：电流模式控制开关稳压器。这里，PWM 斜坡是根据输出电感器电流生成的信号生成的。 （德州仪器提供）虽然电流模式控制有很多优点，但它也有其复杂性。其中最重要的是“内部”控制环路（承载电感器电流信号）的占空比不稳定，超过 50%。风险设计工程师很快发现，在内环中“注入”少量的斜率补偿可以解决这个问题。该技术保证了 PWM 占空比的所有值的稳定运行。许多电源设计虽然认识到这项技术，但对斜率补偿工程如何影响电路及其实现的性能感到困惑。让我们仔细看看。

2.电路稳定

不稳定源，例如，在连续模式下运行的电流模式控制降压（“降压”）调节器中（即，当电感器电流在开关周期期间没有降至零时），因为控制器通过调节峰值 电感电流，在电感驱动输出的同时，使负载电流等于平均电感电流。图 2 显示平均电流（I1 和 I2）随占空比和峰值（调节）电流保持恒定。

图 2：在电流模式控制调节器中，电感器的平均电流与占空比成正比。 （由德州仪器 (TI) 提供） 峰值和平均电感电流形式之间的差异是误差 (ΔI)，当 VIN 大时该误差最大。在较低占空比下，误差不是问题，因为它保持不变，但在每个连续电感器充电/放电周期的占空比高于 50% 时，误差会增加，从而导致不稳定（图 3）。

图3：在较大的占空比（D2）下，电感峰值与平均电流之间的误差（ΔI）乘以连续的充放电周期，从而诱发不稳定因素。 （由 Texas Instruments 提供）工程师可以通过将负锯齿斜坡电压与比较器控制输入端的放大 Ve 相加来向电路引入斜率补偿（如图 1 所示）。为了实现完美的补偿，补偿斜率必须恰好等于另一个比较器输入端电压波形的一半。这是通过电流检测电阻器上的电感器电流下降所看到的电压模拟。当斜率补偿正确实施时，它解决了占空比范围内占空比变化超过50%和电流误差不稳定两个问题。图 4 显示，通过斜率补偿，平均电流保持在 VIN，并且占空比变化恒定。图 5 显示了电路如何保持稳定，因为斜率补偿误差会降低任意值的占空比。

图 4：通过斜率补偿，电路的平均电流在不同的占空比下保持恒定。

图 5：斜率补偿可减少连续周期中任何占空比值下的电流误差。

3.简化设计

对于使用分立元件构建电流模式控制调节器的工程师来说，生成所需的斜率补偿负斜率可能很棘手。一种解决方案是使用来自 PWM IC 的正斜坡，将其通过分压器传递到相关比较器输入（然后将电压模拟加到电感器电流上，如上所述）。另一种越来越流行的方法是将底座周围的 PWM 控制电子器件集成到单个设备开关控制模块电路中。现在，许多模块都包含生产中包含的斜率补偿。结合电流模式控制斜率补偿的电源模块的示例包括德州仪器 (TI) TPS43060。该器件是一款 1 MHz 开关控制器，工作电压为 4.5-38 V，占空比高达 95%。该芯片具有内部斜率补偿，以避免占空比大于 50% 时的次谐波振荡。

Maxim 的 MAX15004 开关稳压控制器通过使用外部电容器提供可编程斜率补偿，更进一步，专为汽车应用而设计，具有输入电压范围为 4.5-40 V 的电流模式控制器件。该公司声称这简化了设计。 Intersil 还提供了一款具有可编程斜率补偿功能的开关稳压器 ISL6726（图 6）。制造商表示，该器件是电流模式 PWM 控制器，旨在简化其使用的许多功能。对于 Maxim 的器件，斜率补偿重复使用外部电容器设置。数据表的 ISL6726 包含有关如何计算给定斜率的电容值的便捷指南。