开关电源电流控制模式工作原理

- 1 - 电流控制模式原理

电流控制模式(CurrentModeControl)又称电流型控制，是一种常用的电源开关控制方式，主要用于开关电源中的稳压控制和输出电流限制。与传统的电压控制模式( Voltage Mode Control )不同，电流控制模式的控制对象是电感或电容的电流，而不是输出电压。其原理是通过对电感或电容的电流进行快速反馈调整，从而控制开关管的导通和断开，实现对输出电流的精准控制。

电流控制模式有多种实现方式，其中比较常见的是平均电流控制( Average Current Control )和峰值电流控制( Peak Current

Control )。平均电流控制是通过对电感或电容的平均电流进行反馈控制，实现对输出电流的控制；峰值电流控制则是通过对电感或电容的峰值电流进行反馈控制，实现对输出电流的控制。两种方式各有优缺点，需要根据具体情况进行选择。

电流控制模式的优点是响应速度快，稳定性好，输出电流波形平稳，对于负载变化响应迅速，可以有效提高系统的动态响应能力。同时，电流控制模式能够实现电感或电容的电流保护，避免输出电流过载或瞬间过大对系统带来的损害。因此，在高精度稳压和大功率开关电源中，电流控制模式被广泛应用。

总之，电流控制模式是一种高效、稳定、可靠的开关电源控制方式，具有广泛的应用前景。

一、引言

PWM开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。 PWM的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。对于定频调宽的PWM闭环反馈控制系统，主要有五种PWM反馈控制模式。下面以VDMOS开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例说明五种PWM反馈控制模式的发展过程、基本工作原理、详细电路原理示意图、波形、特点及应用要点，以利于选择应用及仿真建模研究。

二、开关电源PWM的五种反馈控制模式

1. 电压模式控制PWM (VOLTAGE-MODE CONTROL PWM)：

如图1所示为BUCK降压斩波器的电压模式控制PWM反馈系统原理图。电压模式控制PWM是六十年代后期开关稳压电源刚刚开始发展起就采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界很好地被广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜波相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度，见图1A中波形所示。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。主要缺点是暂态响应慢。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为有较大的输出电容C及电感L相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。图1A电压误差运算放大器（E/A）的作用有三：①将输出电压与给定电压的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度。该运放的直流放大增益理论上为无穷大，实际上为运放的开环放大增益。②将开关电源主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较“干净”的直流反馈控制信号（VE）。即保留直流低频成分，衰减交流高频成分。因为开关噪声的频率较高，幅值较大，高频开关噪声衰减不够的话，稳态反馈不稳；高频开关噪声衰减过大的话，动态响应较慢。虽然互相矛盾，但是对电压误差运算放大器的基本设计原则仍是“低频增益要高，高频增益要低”。③对整个闭环系统进行校正，使得闭环系统稳定工作。电压模式控制的优点：①PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量。②占空比调节不受限制。③对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好。④单一反馈电压闭环设计、调试比较容易。⑤对输出负载的变化有较好的响应调节。缺点：①对输入电压的变化动态响应较慢。②补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂。③输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。

开关电源工作原理与设计

开关电源是一种电源转换器，将电源输入的交流电转换成需要的直流电，其工作原理是将输入的交流电先经过整流后变成高压直流电，再通过高频开关管进行开关操作，最后通过输出变压器降压输出直流电。开关电源具有高效、体积小、重量轻、稳定性好等优点，在现代电子设备中得到广泛应用。

开关电源的设计需要考虑多个因素，以下从几个方面进行阐述：

1. 整流电路设计

整流电路是将输入的交流电转换成直流电的过程，一般采用桥式整流电路，在设计时需要考虑电容和电阻的选取以及大电流和高功率元器件的选择。整流电路的设计对开关电源的效率和输出稳定性都有重要影响。

2. 高频开关电路设计

高频开关电路是开关电源的关键组成部分，其工作原理是通过高频开关管进行开关操作来控制输出变压器的输入电压，从而输出所需的直流电。在设计时需要考虑开关管的耐压和开关频率等因素，同时还需要考虑开关管的损耗问题来保证开关电源的效率和稳定性。

3. 输出变压器设计

输出变压器是开关电源的输出部分，其设计需要考虑输出电压、输出电流和稳定性等因素，同时还需要选用合适的核心材料和绕线方式来减小损耗和电磁干扰，以保证开关电源的效率和稳定性。

4. 控制电路设计

控制电路是开关电源的控制系统，其设计需要考虑开关电源的输出电压、电流等参数的控制，以及过流、过压等保护功能的实现。在设计时需要考虑控制精度、响应时间等因素，以保证开关电源的安全性和稳定性。

总之，开关电源的设计需要综合考虑整个系统的各个部分，从而实现高效、稳定、安全的输出直流电。随着电子技术的不断发展，开关电源将继续发挥更加重要的作用，为各类电子产品的稳定运行提供坚实的保障。

引言

近年来，开关电源在通信、工业自动化、航空、仪表仪器等领域的应用越来越广泛。新颖的电流型PWM克服了传统的电压型PWM的缺点，使开关电源具有快速的瞬态响应、高度的稳定性、更好的电压调整率和负载调整率，特别是其内在的限流能力，使过载及短路保护简单可靠。电流型PWM集成控制器已经产品化，本设计使用的就是典型的Unitrode公司产品UC3842，其特别适合于小功率型开关电源。

1 电流控制模式的原理及优点

图1所示为反激式开关电源的电压、电流双闭环控制的原理。时钟以固定频率发送脉冲，脉冲到来时，锁存器置“1”，开关管导通，变压器原边电流上升。上升到由误差信号Ue决定的阈值时，PWM比较器输出高电平，锁存器复位，功率开关管关断，直到下个脉冲的到来。当输入电压升高时，系统有很快的动态响应，对电压扰动实现前馈抑制。同时，电压误差放大器有很高的增益，不影响系统的稳定性，且改善了负载调整率。逐个脉冲电流检测限制可以简化过流保护电路，峰值限制最大输出电流，保证电源工作可靠，变压器和功率器件不必有较大的裕量。

2 电路原理与设计

2.1 UC3842简单介绍

UC3842是一种单端输出的峰值电流PWM控制芯片，管脚示意如图2所示。其内部有误差放大器、PWM调制、锁存、振荡时钟等基本模块，还有欠压锁定、过压保护、基准电源、低起动电流、电流图腾输出等功能。电压滞环的起动电压是16V，关闭电压是10V，6V的起动与关闭电压差可有效防止电路在阀值电压附近工作而引起的振荡。芯片起动电流1mA，所以，芯片可以对高压用电阻降压起动，待起动完成后由馈电绕组供电。补偿端接RC网络来改变误差放大器的闭环增益和频率响应。电流反馈端Ucs>1V时输出脉冲关断，起到逐个脉冲限流保护。时钟由外接阻容RT和CT决定。

2.2 电路的模块分析

图3是以UC3842作为控制器的单端反激式开关电源的电路图,输出分别为＋5V/4A及±12V/1A。电路对＋5V输出用4N35光耦进行电压采样来精确稳压，±12V输出加三端稳压器稳压。图3中L1抑制共模干扰，RT是热敏电阻，限制上电的冲击电流，ZMR是压敏电阻，防止雷击，C4滤除工频信号；R2，C18，D5用于吸收开关管关断时，变压器漏感产生的过电压；R6及C8用于滤除MOSFET开通时的电流尖峰，避免对检测电流信号的干扰；R9及C11构成补偿网络；R1是检测电阻，用以把变压器原边的电流转化成电压，R7是起动电阻，起动完成后由馈电绕组经过D6及C7供电；R8及C5决定振荡器频率fosc=(kHz)，本设计中为50kHz；L2，C15，C16组成π型滤波，滤除低频，而C10滤除高频；R11是假性负载，因为，开关电源要求在空载下能工作，而反激式变换器必须保证磁路复位，否则会造成变压器磁芯饱和，烧坏主功率管。R15及C20吸收副边整流管的尖峰。TL431是精密可调基准电源，调节RES3可以改变输出电压。