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电流模式控制学习

news 来源：原创 2025/8/14 23:15:01

电流模式控制

电流模式控制（CMC）是开关电源中广泛使用的一种控制策略，其核心思想是通过内环电流反馈和外环电压反馈共同调节占空比。相比电压模式控制，CMC具有更快的动态响应和更好的稳定性，但也存在一些固有缺点。

原理

以buck为例，架构如下
在这里插入图片描述
控制结构（双环结构）

内环：电流环，实时检测电感电流或开关管电流，与电流参考值（由外环生成）比较，生成PWM占空比。
外环：电压环，检测输出电压，通过误差放大器生成电流参考信号（通常为补偿后的电压误差信号）。

工作流程

输出电压采样：通过分压电阻得到V_FB，与基准电压比较，经过EA输出Vc（这个就是电流环的参考信号）。
电感电流检测：这里就有些区分了，可以检测峰值，平均值，谷底，但原理都是检测电感电流。
- 峰值电流模式：检测开关管，如高边MOSFET导通时的电流峰值。
- 平均电流模式：通过低通滤波或积分电路获取电感电流平均值。
- 谷底电流模式：在低边MOSFET导通期间或电感电流下降阶段，检测电流的最小值。
PWM调制：电流检测信号Vcs与Vc比较，决定占空比D；当Vcs达到Vc，关闭开关管，实现逐周期限流。

优缺点

优点

更快的动态响应：电流内环直接控制电感电流，对负载瞬变响应更快。电压外环仅需调节电流参考，带宽要求较低。
自动限流保护：逐周期电流检测，天然防止过流，无需额外保护电路。
更好的环路稳定性：电流环将LC滤波器的二阶系统降为一阶，简化补偿，通常只需Type II补偿。
输入电压扰动抑制：电流环自动抵消Vin变化的影响，无需前馈补偿。

缺点

次谐波振荡（占空比 > 50% 时）：需斜率补偿（Slope Compensation），否则可能不稳定。
电流检测噪声敏感：电流采样信号易受开关噪声干扰，需谨慎布局和滤波。
轻载稳定性问题：在DCM下，电流环失效，需特殊处理，如强制进入CCM或跳频模式。
复杂性和成本：需高精度电流检测电路，如低边MOSFET Rdson、专用电流传感器。

应用场景

CMC适用于以下应用：

高动态负载场合：如CPU/GPU供电，快速变化的电流需求。
宽输入电压范围：如汽车电子的12V-24V系统、工业电源。
需要精确限流的应用：如电池充电器、LED驱动。
多相并联电源：CMC易于均流，如服务器VRM。

设计注意事项

电流检测设计

以峰值电流举例，举例说明不同采样方式及优缺点：

低边MOS的Rdson：以下管mos的Rdson作为电流采样元件，Vds=I_L*Rdson，这个电压被放大后与内部参考做比较。其特点是成本低，但温漂大，要校准，如TI的TPS543。典型应用于工业电源、嵌入式系统（12V→3.3V/5V转换）。
外部分流电阻：通过检测开关管S极与GND之间的电流采样电阻电压，其特点是精度高，但增加损耗。典型应用flyback、forward、boost等。
电流互感器：这个比较少，成本高，适用于高频大电流，如LLC谐振，常用于服务器电源，TV电源等大功率。我找了NCP1380，跟上面的分流电阻一样，将CT次级电流转为电压信号，内部比较器用这个电压信号实现OCP、ZCD。

PCB布局要点：

电流检测路径尽量短，避免开关噪声耦合。
使用差分走线减少共模干扰。

次谐波震荡

Slope Compensation，可以看到上面的框图中有个Slope Comp，这个是什么呢？这里得提到另外一个概念，次谐波震荡，这个问题可以说是CMC特有的。次谐波震荡表现为：电感电流或输出电压在开关频率的1/2、1/3等分频点处出现周期性波动，导致系统失控。 有点玄乎，我们来看看几个关键点。

什么是电感电流扰动？比如系统中出现了负载突变，使得电感电流突然增大。
在什么工作模式容易出现？峰值电流检测的CMC。
这个时候的频率是固定的吗？对的，用峰值电流检测，产生的信号通过与FB的电压信号对比，产生固定的PWM调制信号。

好了，开始分析：在低占空比，小于0.5。如下图蓝色部分是正常的，红色是出现扰动后的，出现了ΔI，注意现在我们是峰值电流检测，当电感电流I_L达到A点时，（相较于没有扰动，是提前达到Vc的），MOS关闭，进入续流，因为是提前达到Vc的，所以放电的周期就变大了，而放电的斜率是不变的，所以B点下移，再次导通，因为B点低，达到C点的时间就拉长，C点也就滞后了，同理，经过几个周期后，越来越靠近稳定波形，是能够自行调控使得系统稳定的。
在这里插入图片描述

当占空比大（大于0.5），如下图，电感电流上移，先到了A点，开始放电，等下一个导通，使得B点下移（这个很容易理解吧？先到先放电，放电时间长了，斜率一样的，肯定先放的值低），这个时候收到了系统指令，充电mos打开，上升斜率是一样的，值低的需要花更长的时间到达Vc，后面发现，因为占空比大，放电时间没有了，很短，还没放一点点又收到系统指令要充电了，这就导致了占空比一会大一会小，从而形成次谐波震荡。BC长CD短，DE短EF又长。
在这里插入图片描述
怎么去解决这个问题呢？要是有种办法，可以使得Vc的值可以变化，不是固定的，先到的，放电时间长一点，后到的放电时间短一点，是不是跟占空比小的情况类似，那么需要把Vc做成一个锯齿波的形状，这就是斜率补偿。
在这里插入图片描述
实现方法：在电流检测信号上叠加固定斜率斜坡，通常为电感电流上升斜率的50%~100%。

好了，更深的暂时不懂了，先到这里吧，其实对于应用工程师了解是怎么回事就可以，因为很多芯片都集成到里面了。

轻载和DCM

前面说到的DCM问题：电流环在电感电流断续时失效，可能导致振荡。
解决方法：

强制进入CCM，如增加假负载。
采用脉冲跳跃（Pulse Skipping）或突发模式（Burst Mode）。

检测模式的优缺点

最后来总结下不同电流检测方式的优缺点吧

峰值电流模式

优点：

逐周期限流：天然防止过流，无需额外保护电路。
动态响应快：直接控制电流峰值，对负载瞬变响应迅速。
简化补偿：电流环将系统降为一阶，电压环只需Type II补偿。
输入电压扰动抑制：自动抵消变化的影响。

缺点：

次谐波振荡：占空比 D>50%时需斜率补偿（Slope Compensation）。
噪声敏感：峰值电流检测易受开关噪声干扰（需滤波但可能延迟响应）。
轻载不稳定：在DCM下电流环失效，可能需强制CCM或跳频模式。

适用：高动态负载（如CPU/GPU供电）、Boost/Buck-Boost拓扑

平均电流模式

优点：

更平滑的电流控制：适用于对电流纹波敏感的应用，如PFC、精密电源。
无次谐波振荡问题：无需斜率补偿，适用于任意占空比。
抗噪声能力强：平均滤波减少开关噪声影响。

缺点：

响应速度较慢：因低通滤波引入延迟，动态性能略逊于峰值模式。
复杂度高：需额外的电流误差放大器，增加补偿设计难度。
成本较高：可能需要高精度电流传感器。

应用：功率因数校正（PFC）、LED驱动、电池充电器等需要精确电流控制的场合。

谷底电流模式

优点：

天然抗噪声：谷值检测时开关节点（SW）电压稳定，噪声干扰小。
适合低占空比：在 D<50% 时稳定性好（如Buck低压输出）。
轻载效率高：易于实现DCM模式优化（如谷值跳跃）。

缺点：
占空比受限：D>50% 时可能不稳定（需特殊处理）。
动态响应较慢：因谷值检测滞后于峰值事件。
检测电路复杂：需精确同步谷值时刻。

适用：低输出电压Buck转换器（如手机PMIC）、轻载高效应用（如IoT设备）。

滞环电流模式

是不是觉得很奇怪？为什么这里也有滞环，其实这个是对其调制方式分类的一个说法，用以区分固定频率的PWM调制，滞环的窗口是电流那就归入CMC，滞环判断的窗口是电压，那就归入VMC。

检测点：设定电流上限和下限（滞环窗口），电感电流在窗口内波动。

特点：

无需补偿，响应极快，但频率不固定（变频控制）。
适用于对瞬态响应要求极高的场景（如射频电源）。

总结，最后再做个特性对比

特性	峰值电流模式	平均电流模式	谷底电流模式
检测点	电流上升峰值	电流平均值	电流下降谷值
是否需要斜率补偿	是（D>50%）	否	通常否（D<50%）
动态响应	最快	中等	较慢
抗噪声能力	弱	强	中等
轻载稳定性	差（需DCM处理）	中等	优（适合DCM）
适用拓扑	Buck/Boost/Buck-Boost	PFC、精密电源	低压Buck、低占空比
复杂度	低	高（需电流误差放大器）	中等

电流模式控制学习

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