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電壓 電流的关系与比较-電壓模式与電流模式的比较、优缺点-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-04 

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電流

科学上把单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做電流强度,简称電流。通常用字母 I表示,它的单位是安培(安德烈·玛丽·安培,1775年—1836年,法国物理学家、化学家,在电磁作用方面的研究成就卓著,对数学和物理也有贡献。電流的国际单位安培即以其姓氏命名),简称“安”,符号 “A”,也是指电荷在导体中的定向移动。


导体中的自由电荷在电场力的作用下做有规则的定向运动就形成了 電流。


电源的电动势形成了電壓,继而产生了电场力,在电场力的作用下,处于电微安(μA)1A=1 000mA=1 000 000μA,电学上规定:正电荷定向流动的方向为電流方向。金属导体中電流微观表达式I=nesv,n为单位体积内自由电子数,e为电子的电荷量,s为导体横截面积,v为电荷速度。


大自然有很多种承载电荷的载子,例如,导电体内可移动的电子、电解液内的离子、等离子体内的电子和离子、强子内的夸克。这些载子的移动,形成了電流。


電壓

電壓(voltage),也称作电势差或电位差,是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所做的功,電壓的方向规定为从高电位指向低电位的方向。電壓的国际单位制为伏特(V,简称伏),常用的单位还有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。此概念与水位高低所造成的“水压”相似。需要指出的是,“電壓”一词一般只用于电路当中,“电势差”和“电位差”则普遍应用于一切电现象当中。


電壓模式与電流模式的比较


(一)電壓模式控制

这是最早的开关稳压器设计所采用的方法,而且多年来很好地满足了业界的需要。基本的電壓模式控制配置示于图1。

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電壓模式控制


这种设计的主要特性是只存在一条電壓反馈通路,而脉宽调制是通过将電壓误差信号与一个恒定斜坡波形进行比较来完成的。電流限制必须单独执行。


電壓模拟控制的优点

1. 采用单个反馈环路,因而比较容易设计和分析。


2. 一个大幅度斜坡波形提供了用于实现稳定调制过程的充分噪声裕量。


3 . 一个低阻抗功率输出为多输出电源提供了更加优良的交叉调制性能。


電壓模式控制的缺点可列举如下:

1.電壓或负载中的任何变化都必须首先作为一个输出变化来检测,然后再由反馈环路来校正。这常常意味着缓慢的响应速度。


2.輸出濾波器給控制環路增加了兩個極點,因而在補償設計誤差放大器時就需要將主導極點低頻衰減,或在補償中增加一個零點。


3.由于环路增益会随着输入電壓的变化而改变,因而使补偿进一步地复杂化。


(二)電流模式控制

上述缺点比较突出,而且,由于電流模式控制使所有这些缺点均得以减轻,因此它一经推出便引起了设计师们的极大兴趣,他们纷纷研究这种拓扑结构。由图2 给出的示意图可见,基本的電流模式控制只把振荡器用作一个固定频率时钟,并用一个从输出电感器電流中得到的信号替代了斜坡波形。


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電流模式控制


電流模式控制方法的优点

1.由于电感器電流以一个由 Vi n - Vo所确定的斜率上升,因此对于输入電壓的变化该波形将立即做出响应,从而消除了延迟响应以及随着输入電壓的变化而发生的增益变化。


2.由于误差放大器如今用于控制输出電流而非電壓,因此输出电感器的影响被降至最低,而且滤波器此时只给反馈环路提供了单个极点(至少在所关心的正常区域中)。与类似的電壓模式电路相比,这既简化了补偿,又获得了较高的增益带宽。


3.采用電流模式电路的额外好处包括固有的逐个脉冲電流限制(只需对来自误差放大器的控制信号进行箝位即可),以及在多个电源单元并联时易于实现负载均


尽管電流模式所提供的改进令人印象深刻,但这项技术也存在其特有的问题,必须在设计过程中予以解决。


以下簡要羅列了它的部分缺點:


1.如今有兩個反饋環路,因而增加了電路分析的難度。


2.當占空比大于50%時,控制環路將變得不穩定,除非另外采取斜坡補償。


3.由于控制调制基于一个从输出電流中得到的信号,因此功率级中的谐振会将噪声引入控制环路。


4.一个特别讨厌的噪声源是前沿電流尖峰,通常是由变压器绕组电容和输出整流器恢复電流引起的。


5.由于采用控制环来实施電流驱动,因此负载调整率变差,而且在多路输出时需要耦合电感器以获得可接受的交叉调制性能。


于是,我们由上可以得出结论:虽然電流模式控制将放宽電壓模式控制的许多限制,但它也将给设计师带来诸多新的难题。不过,利用从更近期的功率控制技术发展中所获得的知识,人们对電壓模式控制进行了重新评估,结果表明:针对其主要缺点还有一些其他的校正方法,UCC3570便是业界的研发成果。


重新审视電壓模式控制UCC3570对電壓模式控制所做的两项主要改进是電壓前馈和较高频率能力,前者用于消除输入電壓变化的影响,后者则允许将输出滤波器的极点置于标准控制环路带宽范围以上。電壓前馈是通过使斜坡波形的斜率与输入電壓成正比来实现的。这提供了一个对应和校正的占空比调制,而无需反馈环路采取任何动作。结果是获得了一个恒定的控制环路增益以及针对输入電壓变化的瞬时响应。较高频率能力是通过对该IC使用BiCMOS加工工艺而得以实现的,这产生了较小的寄生电容和较低的电路延迟。于是,電壓模式控制的许多问题都有所缓解,而并未招致電流模式控制的麻烦。


選擇電路拓撲結構

以上所有的讨论均不应给您留下“電流模式控制不再有用武之地”的印象——而只应是“在当今的环境中,電流模式和電壓模式这两种拓扑结构都可以是适用的选择”。针对每一种特定的应用,某些设计依据有可能表明这一种或另一种拓扑结构更加适合。部分设计依据概述如下:


在以下场合可考虑使用電流模式:

1.电源输出将是一个電流源或非常高的输出電壓。


2.對于某個給定的開關頻率,需要最快的動態響應。


3.应用针对的是一个输入電壓变化相对受限的DC/DC转换器。


4.需要可並聯性(parallelability)和負載均分的模塊化應


5.在變壓器磁通平衡很重要的推挽電路中。


6.在要求使用極少組件的低成本應用中。


而在以下场合中则可以考虑使用具前馈的電壓模式:


1.有可能存在很宽的输入電壓和/或输出负载变化范围。


2.特别是在低電壓-轻负载条件下,此时,電流斜坡斜率过于平缓,不利于实现稳定的PWM操作。


3.高功率应用和/ 或噪声应用(这里,電流波形上的噪声将难以控制)。


4.需要多个输出電壓以及较好的交叉调制性能。


5.可飽和電抗器控制器將被用作輔助次級側穩壓器。


6.需要避免雙反饋環路和/或斜坡補償之複雜性的應用。


按照這些設計依據,UCC3750針對中低功率、隔離、初級側控制應用進行了優化(借助隔離型前饋)。除了上述的控制特性之外,該器件還針對此類工作在性能方面實現了諸多的提升。不過,鑒于這並非本文的討論議題,感興趣的讀者可以查閱該産品的數據表以了解更多的相關信息。


電壓与電流比较

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