控压型DC-DC变换器电流环路补偿设计

O 引言

固定频率峰值电流模式PWM(Pulse WidthModulation) DC-DC变换器同传统的电压模式控制相比，具有瞬态响应好，输出精度高，带载能力强等优点，因而被广泛应用。作为重要的模拟单元，斜坡补偿电路和电流采样电路是电流模式PWM控制的根基，对电流模式控制中电流环路的稳定性起着重要作用。

1 电路结构

图1所示是典型峰值电流模式PWM Boost DC-DC控制系统的结构框图。当电压外环的电压反馈信号经过误差放大器放大得到的误差信号VE送至PWM比较器后，将与电流内环的一个变化的、其峰值代表输出电感电流峰值的三角波或梯形尖角状合成波信号VE比较，从而得到PWM脉冲关断阈值。即：



在(1)式中：第一项为斜坡补偿部分，用于保证电流环路的稳定；第二项反映了电感电流的大小，通常由电流采样电路产生；第三项用于产生一个固定的基础电平，以为PWM比较器输入端图1 典型峰值电流模式PWMBoostDC―DC控制系统框图提供一个合适的直流工作点。

因此，峰值电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是通过控制峰值输出端的电感电流大小，然后来间接地控制PWM脉冲宽度。



但是，电流模式的结构决定了其应用时存在电流内环在占空比大于50％时的开环不稳定现象、亚谐波振荡、非理想的环路响应，以及容易受噪声影响等几个固有缺点。针对上述问题，在环路的补偿方式上，除了电压环路的RC串联补偿之外，还必须对电流环路进行补偿，以满足电流环路的稳定性要求。有效的解决方法是采用斜坡补偿技术，并在提高电流采样精度的同时降低采样损耗，以保证电流环路的稳定。

本文利用对振荡器充放电电容上的电压作V／I转换来得到稳定且斜率易于调节的补偿斜坡，同时采用功率SENSEFET作为采样器件，并结合设计简洁的V／I变换，使采样系数不受温度和工艺的影响，从而在得到较高精度采样值的同时，还减低了损耗。

2 电路原理分析

2．1 斜坡补偿

图2给出了在误差信号VE上叠加斜坡补偿电压的方法。VE为电压反馈回路的误差放大信号，实线波形为未加扰动的电感电流，虚线为叠加△I0扰动量的电感电流，D为占空比，m1、m2分别为采样得到的等效电感电流的上升和续流斜率。




由图2(a)、(b)可知，若没有斜坡补偿，在下一个周期，该扰动电流为：


而经过n个周期后，由△I0引起的电流误差△In为：


由式(3)可以看出，当m2m1，即D50％时，电流误差△In将逐渐趋于0，故系统稳定；而当m2>m1，即D>50％时，电流误差△In将逐渐放大，从而导致系统不稳定。

图2(c)是D>50％时，叠加补偿电压后的电感电流波形。对于该波形，有：


显然，要使环路稳定，必须使△I1△Io，即满足：