DC_DC变换器峰值电流控制与平均电流控制的分析与比较
电流模式PWM升压DC-DC变换器斜升波发生器的设计
电流模式PWM升压DC-DC变换器斜升波发生器的设计王瑾;李攀;王进军;刘宁;张强【摘要】简要分析了峰值电流控制模式升压变换器的不稳定性及其原因,阐述了斜坡补偿的基本原理和设计问题.对基本的多谐振荡器电路进行了改进和优化设计,设计了适用于峰值电流模式PWM升压型DC-DC变换器斜坡补偿电路中的CMOS 斜升波发生器电路.该电路基于UMC BiCMOS工艺设计,经HSpice仿真验证达到了设计目标,性能有很大改善,满足了芯片的需要.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)017【总页数】4页(P167-169,176)【关键词】峰值电流控制;PWM;斜坡补偿;斜升波【作者】王瑾;李攀;王进军;刘宁;张强【作者单位】西北大学,信息科学与技术学院,陕西,西安,710127;西北大学,信息科学与技术学院,陕西,西安,710127;西北大学,信息科学与技术学院,陕西,西安,710127;西北大学,信息科学与技术学院,陕西,西安,710127;西北大学,信息科学与技术学院,陕西,西安,710127【正文语种】中文【中图分类】TN4321 引言开关电源按控制模式可分为电压模式和电流模式两大类，相对电压模式来说，电流模式具有优越的电源电压和负载调整特性，得到越来越广泛的应用。
但是电流反馈环在占空比大于50%时存在开环不稳定现象，容易受噪声影响等问题。
通过斜坡补偿技术，可以有效地解决上述问题，或使上述问题最小化。
电流模式控制又分为峰值电流控制和平均电流控制。
峰值电流模式是通过误差电压Ve来设定电感电流的峰值，并采用斜升波进行斜坡补偿，从而控制输出电压。
本文介绍了峰值电流控制中斜坡补偿的原理及其实现方法，并针对峰值电流控制模式PWM升压型DC-DC变换器，设计了斜坡补偿电路中最重要的斜升波发生器电路。
2 斜坡补偿的原理2.1 电路结构与工作原理峰值电流模式PWM升压DC-DC变换器控制电路如图1所示。
DC-DC变换器讲解学习
输入输出关系：
图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
U otto ofnf ETt otn onE1 E （2-49）
3-25
2.1.5 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路
Zeta斩波电路原理
V处于通态期间，电源E经开关
V向电感L1贮能。
V关断后，L1－VD－C1构成振
荡回路， L1的能量转移至C1，
电压源 电压源的变换
o
t
b)
图3-4 升降压斩波电路及其波形
a）电路图
b）波形
3-20
2.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路
稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即
数量关系
T
0 uL dt 0
（2-39）
V处于通态
V处于断态
uL = E
EtonUotoff
uL = - uo
（2-40）
能量全部转移至C1上之后，VD
b) Zeta斩波电路
关断，C1经L2向负载供电。
输入输出关系：
Uo
1
E
图3-6 Sepic斩波电路 和 Zeta斩波电路 （2-50）
相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均
连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。
两种电路输出电压为正极性的。
3-26
t1 E
I 20
t2
E
t
O
EM
t
c) 电流断续时的波形
图3-1 降压斩波电路得原理图及波形
3-4
2.1.1 降压斩波电路
数量关系
电流连续
负载电压平均值：
Uoton t otnof
基于BUCK变换器的LED恒流电源的设计
• 205•LED 照明在现在社会中的应用越加广泛，与传统光源相比，有很多的优良特性，节能高效，是一种新型光源，使用LED 灯照明为了不浪费电能并且能够在小功率下稳定的运行。
因此本文设计了一款基于BUCK 变换器的LED 恒流电源。
控制回路主要是选用峰值电流型控制法，将输出电压通过采样电阻进行分压采样，再将采样的电压送入芯片，在开关管处串一个采样电阻，同时将采样的电流送入芯片，其次电路中加入EMI 滤波。
最后通过实验仿真与原理样机验证稳定小功率电源的可行性。
随着工业的发展，人们对于电能的需求越来越大，所以大肆开采能源，导致环境的污染日益严重，从而对人们的生活造成了一定的影响。
在对小功率电源的使用过程中，当前的电源设备需要经过整流和逆变来得到连续的大频率电源，在此基础上才能以该频率和功率作用于被处理的对象，其体积和功率较大，无法满足现家庭的需求。
在此背景下，如何设计一款小功率的恒流电源成了解决的主要问题。
文献（秦效勇，尚振东.数字技术下小功率电源优化设计仿真研究）提出了一种基于数字技术的小功率电源优化设计方法。
该方法将电源中的市电电压转换时间设置成固定的常数，将电源单体上的任务调度依据电压的下降次数进行调整，消除了换能器谐振频率的漂移现象，完成了对小功率电源优化设计。
该方法效果好，但使用不灵活。
文献（张宁，等.超声波功率对氩弧熔覆一喷射Ti （C ，N ）增强镍基复合涂层组织和性能的影响）提出了一种基于反激的小功率电源设计方法。
该方法先依据电源的使用环境，设定输出电源范围，选定超声波变压器磁芯，以此为依据完成对小功率电源设计。
该方法简单，但存在耗费成本较大的问题。
针对上诉情况，提出了一种基于BUCK 变换器的LED 恒流源设计。
该设计具有电压稳定、功率低、使用灵活等特点，可以很好的满足LED 灯的工作要求。
1 主电路的设计1.1 BUCK变换器BUCK 电路一般可以在两种模式下进行工作，一种是电流连续的模式（CCM ），还有一种是电流断续模式(DCM)，断续模式下电流会降到0，电流的波形是一种三角形，而在连续模式下，电流不会降为0，电流的波形在这种模式下是呈现一种梯形波。
峰值电流控制优缺点
开关电源峰值电流模式控制PWM的优缺点近年来电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战，因为这种改善性能的电压模式控制加有输入电压前馈功能，并有完善的多重电流保护等功能，在控制功能上已具备大部分电流模式控制的优点，而在实现上难度不大，技术较为成熟。
由输出电压VOUT 与基准信号VREF的差值经过运放（E/A）放大得到的误差电压信号VE 送至PWM比较器后，并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜波比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号VΣ比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。
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，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。
电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。
因为峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。
但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小。
而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大小的因素。
电感电流下斜波斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜波上，可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。
因而合成波形信号VΣ要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。
当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。
因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替，就成为电压模式控制，只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号。
当输出电流减小，峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。
当处于空载状态，输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话，峰值电流模式控制就实际上变为电压模式控制了。
峰值电流模式控制PWM是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。
平均电流控制模式负载点电源(POL)的控制系统设计
平均电流控制模式负载点电源（POL）的控制系统设计摘要：设计了一种基于MAX5060并采用平均电流控制平均电流控制模式的DC/DC 变换器变换器的控制系统。
该变换器为输出电压输出电压可调的负载点电源（POL），采用大信号系统和小信号系统相结合的方法设计控制回路。
详细分析了电源的控制系统设计。
关键词： POL 平均电流控制同步整流BUCK随着CPU等超大规模集成电路的发展，所要求的工作电压在日趋下降，而供电电流则日趋上升，并要求负载点电源（POL）具有更高的动态性能。
在当前的POL电源中，比较通用的主电路与控制策略是：主电路采用同步整流BUCK拓扑或多相交错BUCK电路；在控制策略方面，普遍采用电压型控制和峰值电流型控制。
但是，由于电压控制模式不能控制各个电感的相电流，在多相BUCK中不能实现电流均衡的功能，而在单相BUCK中又需要额外的限流装置，并且对于输入电压的变化又响应较慢，由于这些原因，这种方案的缺点日益突出。
峰值电流控制模式具有快速的负载动态响应，但对于噪声很敏感，并且占空比增加时，需要斜坡补偿。
平均电流控制模式具有较多的优点：在多相变换器中，具有自动电流均衡的能力；采用电感电流作为反馈信号，并且在电流环电流环中引入一个高增益电流误差放大器，电流环的增益带宽可以通过设计这个电流误差放大器的补偿网络而达到最佳性能；与峰值电流控制模式的电流环频带相比，平均电流控制模式的电流环频带几乎与其相同，但低频增益却大很多；平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号；不需要斜坡补偿；抗噪声能力强。
本文主要介绍平均电流控制模式同步整流BUCK变换器的控制系统的设计方法，分别从大信号系统和小信号系统分析和设计控制回路，实验结果表明该控制方法切实可行。
1 平均电流控制BUCK变换器的大信号系统分析当系统负载电流发生较大变化时（如从25%额定值变化到100%额定值），系统处在大信号扰动下工作，小信号的假设不再适用，小信号分析法得到的设计结果将与大信号扰动下的系统响应不一致，可能出现的情况是：用小信号法设计的开关转换系统在小信号下是稳定的，但在大信号扰动下系统可能不稳定，因此小信号分析结果不能预测大信号扰动下系统工作的实际特性。
第四章直流直流(DCDC)变换
第四章直流—直流（DC-DC）变换将大小固定的直流电压变换成大小可调的直流电压的变换称为DC-DC变换，或称直流斩波。
直流斩波技术可以用来降压、升压和变阻，已被广泛应用于直流电动机调速、蓄电池充电、开关电源等方面，特别是在电力牵引上，如地铁、城市轻轨、电气机车、无轨电车、电瓶车、电铲车等。
这类电动车辆一般均采用恒定直流电源（如蓄电池、不控整流电源）供电，以往采用变阻器来实现电动车的起动、调速和制动，耗电多、效率低、有级调速、运行平稳性差等。
采用直流斩波器后，可方便地实现了无级调速、平稳运行，更重要的是比变阻器方式节电（20～30）%，节能效果巨大。
此外在AC-DC变换中，还可采用不控整流加直流斩波调压方式替代晶闸管相控整流，以提高变流装置的输入功率因数，减少网侧电流谐波和提高系统动态响应速度。
DC-DC变换器主要有以下几种形式：（1）Buck（降压型）变换器；（2）Boost（升压型）变换器；（3）Boost-Buck（升-降压型）变换器；（4）Cúk变换器；（5）桥式可逆斩波器等。
其中Buck和Boost为基本类型变换器，Boost-Buck和Cúk为组合变换器，而桥式可逆斩波器则是Buck变换器的拓展。
此外还有复合斩波和多相、多重斩波电路，它们更是基本DC-DC 变换器的组合。
4.1 DC-DC变换的基本控制方式DC-DC变换是采用一个或多个开关（功率开关器件）将一种直流电压变换为另一种直流电压。
当输入直流电压大小恒定时，则可控制开关的通断时间来改变输出直流电压的大小，这种开关型DC-DC变换器原理及工作波形如图4-1所示。
如果开关K导通时间为，关断时间为，则在输入电压E恒定条件下，控制开关的通、断时间、的相对长短，便可控制输出平均电压U0的大小，实现了无损耗直流调压。
从工作波形来看，相当于是一个将恒定直流进行“斩切”输出的过程，故称斩波器。
斩波器有两种基本控制方式：时间比控制和瞬时值控制。
浅谈平均电流模式的控制电路设计
浅谈平均电流模式的控制电路设计电流模式控制分为两种，一种是平均电流模式控制，一种是峰值电流模式控制。
其中平均电流被广泛运用。
而本篇文章就是针对于对平均电流模式的控制电路的设计进行一个研究。
1平均电流法控制回路设计平均电流法的特点：（1）平均电流法对电流有很高的放大效果。
平均电流可以很容易的就找到电流的设定值。
这个已经运用到对高功率因素控制电路中了，以一个小电感就可以得到小于百分之三的谐波畸变，同时电路模式可以从连续电路模式转化成不连续电路模式，而且还不会影响到平均电流法的正常使用；（2）平均电流法对噪声的抑制能力很强。
因为功率开关被时钟脉冲打开，这就造成了晶振幅度直接变为低值；（3）斜坡补偿是不会在平均电流法出现的，然而为了能够让电路的运行稳定，就必须在开关旁边限定环路的增益；（4）平均电流法的使用非常的广泛，它不仅可以控制BUCK和FLYBACK的出入电流，还可以控制BOOST和HLYBACK的输出电流。
当比较器中出现不合适的波形坡度的时候，谐波振荡就会因为功率开关再次出现。
峰值电流法指的是控制使用在外面加一个斜坡来防止这个现象的；而平均电流法指的是使用晶振幅度来提供补偿的坡度的。
因此，最适合解决谐波问题的方法是平均电流法。
由于平均电流模式中会出现谐波和限定开关附近电流放大器的增益，因此在设计电路的时候就必须遵照的守则就是：比较器中一个输入端的电感和电流降低的幅度不能够大于比较器另一端经侦幅度值的坡度。
而且用这个方法还可以间接的制定出最大电流环路增益的交越平率。
2平均电流法Boost电路的设计2.1平均电流法中电流环的设计。
因为平均电流模式必须是稳定使用的，所以就必须对电流环进行一定的相位补偿，而且在电流环的相位补偿的开关附近还要制定一个让电流环的得到稳定增益的设计。
以此才可以在低频零点的时候给电流环供给比较高的增益，才可以进一步的让平均电流控制工作。
不仅如此，开关平率附近的放大器增益的误差一定要和电感电流的降低幅度相符合。
DC-DC变换电路的分析以及分类
t’off t
vO VO ton T b 电感电流断续 t
a 电感电流连续
图5-6 Buck电路图各点波形
开关状态1：Q导通 t=0时刻，Q管被激励导通，二极管D中的电流迅速 转换到Q管。二极管D被截止，等效电路如图5-5b 所示，这时电感上的电压为：
若VO在这期间保持不变，则有：
显然
vCE
vCE
IL Vs
a
IL Vs
b
b 等效电路
Vo
RL
Vo
RL
Vo
图5-1 a 线性调节器模式
vCE
IL Vs
a
IL Vs
b
Vs
on
RL
Vo
RL
Vo
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式具有较高的增益带宽、跟踪误差小、动态特性 好、总谐波失真小、对噪声不敏感、适用于多种应 用场合等特点而被广泛应用。
参考文献 [1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订 版）[M].北京：电子工业出版社，2005. [2]Robert Mammano. Switching Power Supply Topology: Voltage Mode vs. Current Mode [J]. U－ nitrode Corporation Design Note DN-62，1994. [3]杨汝.平均电流模式的控制电路设计[J]. 电力电 子技术，2002，36（4）：66-69. [4]陈慧宁.带片上电流感应技术的电流模式升压 DC-DC 变换器的研究与设计[D].成都:电子科技大 学，2006. [5]王颢雄，王斌，周丹，黄凯雄，崔景秀.Boost 升压 变换器平均电流控制模式的仿真[J]. 三峡大学学 报（自然科学版），2005，27（6）：514-517.
关 键 词 ：变换器；控制方式；峰值电流模式；平均电流模式
1 概述 DC-DC 变换器的控制方式分为电压模式和 电流模式两种，电流模式又分成峰值电流模式和 平均电流模式。电压型控制方式的基本原理是通 过误差放大器输出信号与锯齿波进行比较，产生 PWM 控制信号。电流型控制是指将误差放大器输 出信号与采样到的电感峰值电流进行比较，从而 对输出脉冲的占空比进行控制，使输出的电感峰 值电流跟随误差电压变化而变化。 2 峰值电流控制模式 在 DC-DC 变换器中，使用单一的电压反馈 控制环难以保证系统在受到扰动作用时，既有很 好的动态品质又不致造成系统失稳。为此，取输出 电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制，这 就是电流控制模式。峰值电流控制 Boost 变换器 的原理如图 1 所示。 峰值电流控制作为电流型控制的一种实现 方式，采用双环控制。在双闭环控制系统中，分为 内环和外环，内环为电流反馈环，外环为电压反馈 环。 电压调节器和功率级组成了电压外环，电压 调节器由误差放大器和补偿网络组成，用于调节 输出电压。输出电压与参考电压 VREF 相比较，产生 一个误差信号，作为补偿网络的输入信号，补偿网 络的输出作为电流环的控制信号。电压外环控制 输出电压 Vo(t)，电流内环控制电感电流 iL(t)，电感 电流在电流内环中通过峰值电流调节器反馈，而 输出电压在电压外环中通过电压调节器反馈，电 压调节器通过改变控制量使输出电压与参考电压 相等，而电流调节器通过改变占空比使电感电流 与控制量相等。 对于峰值电流控制的 Boost 变换器说，当系 统工作在连续导电模式下，占空比 D 大于 50% 时，电流内环仍然存在着无条件的开环不稳定性， 这是峰值电流控制系统的缺点。图 2 是峰值电流 控制 Boost 变换器系统工作在连续导电模式下的 电感电流波形。加入斜坡补偿信号可以消除该不 稳定因素，如图 3 所示，在电压调节器输出 Ic 上 叠加一负斜率斜坡。 3 Boost 变换器平均电流控制设计 平均电流控制是在峰值电流控制的基础上 发展起来的，平均电流型控制是控制电感电流平 均值，因此对电流的控制更为精确，平均电流控制 Boost 变换器的原理如图 4 所示。 在图 4 中，UE2 为电感电流的控制编程电压 信号，US 代表有锯齿纹波分量的输出电感电流， 它们的差值经过放大器后，得到平均电流跟踪误 差信号 UE1，UE1 与三角波比较后，得到 PWM 脉冲
科技论坛
DC- DC 变换器峰值电流控制与平均电流
控制的分析与比较
胡维庆 秦 杰
（黑龙江工程学院 电子工程系，黑龙江 哈尔滨 150050）
摘 要：DC-DC 变换器具有转换效率高、体积小、控制精度高等优点，被广泛应用于各个领域。对变换器的峰值电流控制模式和平均电流控制模式进 行了讨论，比较了他们之间的优缺点。对峰值电流控制模式的不足之处，阐述了解决方法。由于平均电流控制模式具有许多优点，在变换器的控制方式中被 广泛采用。
信号来调节功率开关管的关断和导通。 4 两种电流控制模式的比较 引入电流反馈实现双环控制后，通过电流内
环就可以检测输入电压变化，对输出电压进行调 节，而无需等到输出电压变化后，通过电压环来调 节输出电压，得到了比单环控制更好的瞬态响应 性能。电流型控制除了改善 DC-DC 变换器的瞬态 响应性能外，还可以实现快速过电流保护和短路 保护，有自动限流能力，使系统具有良好的线性调 整率，并容易实现多个 DC-DC 变换器的并联均 流。
黑龙江工程学院科学研究项目，项目Βιβλιοθήκη 号： Y08021。－50－
平均电流模式控制和峰值电流模式控制相比 具有如下优点：a.具有高增益的电流放大器，可以 精确地跟踪电流设定值；b. 抗干扰性能优越；c.不 需要斜坡补偿；d.易于实现均流；e.控制精度高。峰 值电流模式控制和平均电流模式控制相比具有以 下缺点：a.对噪声敏感；b.需要斜坡补偿；c.具有尖 峰值/平均值误差。