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如何采用斜率补偿技术实现电流模式控制开关稳压器的设计

电流模式控制的DC-DC开关电压转换器（“开关稳压器”）很受欢迎，因为它们提供了高效的开关电源，同时克服了传统电压模式控制器件的缺点 。当脉冲宽度调制信号（用于设置输出电压的PWM）的占空比上升到50％以上时，电流模式设计会受到不稳定性的影响 。为了克服这种不稳定性，设计工程师使用一种称为斜率补偿的技术来恢复整个PWM占空比范围内的可靠操作 。
本文介绍了重要但非常常见的斜率补偿技术，如何实现以及如何实现它会影响电流模式控制开关稳压器的性能 。然后，本文继续介绍采用该技术的主要功率模块制造商的商用电压控制器 。
电流模式控制的优势
在传统的电压模式控制开关稳压器中，脉冲宽度调制通过将控制电压施加到一个比较器输入和由时钟产生的固定频率的锯齿波电压（“PWM斜坡”）到另一个来产生（PWM）信号 。调节器的输出电压与合成PWM方波的占空比成正比 。另一种设计，即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更快地响应线路或负载电压变化，它消除了电压模式输入电压缺陷时的环路增益变化，补偿更容易实现，电路与电压模式相比，它还具有更高的增益带宽 。（参见TechZone文章“DC-DC开关稳压器中PWM信号产生的电压和电流模式控制 。”）
电流模式控制稳压器与电压模式控制器的不同之处在于增加了第二个回路反馈电感电流，然后有助于推导PWM斜坡 。该反馈信号包括两部分：AC纹波电流，以及电感器电流的DC或平均值 。放大形式的信号被路由到PWM比较器的一个输入，而误差电压（Ve，参考电压和输出电压之间的差）形成另一个输入 。与电压模式控制方法一样，系统时钟决定PWM信号频率（图1） 。
图1：电流模式控制开关稳压器 。这里，PWM斜坡是从输出电感电流得到的信号产生的 。（德州仪器公司提供）
虽然电流模式控制具有许多优点，但它并非没有复杂性 。其中重要的是在占空比高于50％时“内部”控制回路（承载电感器电流信号）的不稳定性 。先锋设计工程师通过在内环中“注入”少量斜率补偿，迅速找到解决这个问题的方法 。这种技术确保了PWM占空比的所有值的稳定运行 。许多电源设计人员在了解该技术的同时，对于斜率补偿如何工作以及其实现如何影响电路性能感到困惑 。让我们仔细看看 。
稳定电路
不稳定的，例如，在连续模式下工作的电流模式控制降压（“降压”）稳压器（即电感电流确实如此）在开关周期期间不会降至零）因为控制器通过调节峰值电感电流来设置输出电压，同时电感驱动输出，使负载电流等于平均电感电流 。图2显示了平均电流（I1和I2）如何随占空比变化而峰值（稳压）电流保持不变 。
图2：在电流模式控制稳压器中，电感平均电流与占空比成正比 。（德州仪器公司提供）
峰值和平均电感电流形式之间的差异是误差（ΔI），当VIN很大时，该误差 。在较低的占空比下，误差不是问题，因为它保持不变，但在占空比高于50％时，每个连续的电感充电/放电周期误差增加，从而引起不稳定（图3） 。
点击图3：在较大的占空比（D2）下，电感峰值和平均电流（ΔI）之间的误差会在连续的充电/放电周期中成倍增加，从而导致不稳定 。（由Texas Instruments提供）
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（如图1所示），工程师可以在电路中引入斜率补偿 。为了获得完美的补偿，补偿斜坡的斜率必须恰好等于另一个比较器输入电压波形的下降斜率的一半，这是电流检测电阻上电感电流下降斜率的电压模拟 。
正确实施后，斜率补偿解决了占空比范围内电流误差变化和占空比不稳定超过50％的问题 。图4显示，通过斜率补偿，无论VIN和占空比如何变化，平均电流都保持不变 。图5显示了电路如何保持稳定，因为斜率补偿降低了任何占空比值的误差 。
图4：通过斜率补偿，电路的平均电流保持不变占空比 。（由德州仪器公司提供）
图5：斜率补偿可减少任何占空比值的连续周期内的电流误差 。（德州仪器公司提供）
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，产生斜率补偿所需的负斜坡可能会非常棘手 。一种解决方案是采用PWM IC的正斜坡，通过分压器将其施加到相对的比较器输入端（然后如上所述与电感器电流的电压模拟相加） 。
越来越受欢迎的替代方案是基于围绕开关控制器模块的电路，将PWM控制电子器件集成到单个器件中 。这些模块中的许多现在都包括由制造商整合的斜率补偿 。
包含电流模式控制和斜率补偿的电源模块示例包括德州仪器（TI）的TPS43060 。该器件是1 MHz开关控制器，工作在4.5-38 V输入，占空比高达95％ 。该芯片具有内部斜率补偿功能，可避免占空比高于50％时的次谐波振荡 。
Maxim的MAX15004开关稳压控制器 - 专为汽车应用设计的电流模式控制器件，输入电压范围为4.5-40 V - 通过使用外部电容器提供可编程斜率补偿，可以进一步发展 。该公司声称这简化了设计 。
就其本身而言，Intersil还提供带可编程斜率补偿的开关稳压器ISL6726（图6） 。制造商表示，该器件是电流模式PWM控制器，具有许多旨在简化其使用的功能 。与Maxim器件一样，通过使用外部电容再次设置斜率补偿 。ISL6726的数据表包括如何计算给定斜率梯度的电容值的方便指南 。
【如何采用斜率补偿技术实现电流模式控制开关稳压器的设计】 图6：Intersil的ISL6726支持可编程斜率补偿 。

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