電壓 電流的關(guān)系與比較-電壓模式與電流模式的比較、優(yōu)缺點(diǎn)-KIA MOS管
信息來源:本站 日期:2019-01-04
科學(xué)上把單位時間里通過導(dǎo)體任一橫截面的電量叫做電流強(qiáng)度,簡稱電流。通常用字母 I表示,它的單位是安培(安德烈·瑪麗·安培,1775年—1836年,法國物理學(xué)家、化學(xué)家,在電磁作用方面的研究成就卓著,對數(shù)學(xué)和物理也有貢獻(xiàn)。電流的國際單位安培即以其姓氏命名),簡稱“安”,符號 “A”,也是指電荷在導(dǎo)體中的定向移動。
導(dǎo)體中的自由電荷在電場力的作用下做有規(guī)則的定向運(yùn)動就形成了 電流。
電源的電動勢形成了電壓,繼而產(chǎn)生了電場力,在電場力的作用下,處于電微安(μA)1A=1 000mA=1 000 000μA,電學(xué)上規(guī)定:正電荷定向流動的方向?yàn)殡娏鞣较?。金屬?dǎo)體中電流微觀表達(dá)式I=nesv,n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù),e為電子的電荷量,s為導(dǎo)體橫截面積,v為電荷速度。
大自然有很多種承載電荷的載子,例如,導(dǎo)電體內(nèi)可移動的電子、電解液內(nèi)的離子、等離子體內(nèi)的電子和離子、強(qiáng)子內(nèi)的夸克。這些載子的移動,形成了電流。
電壓(voltage),也稱作電勢差或電位差,是衡量單位電荷在靜電場中由于電勢不同所產(chǎn)生的能量差的物理量。其大小等于單位正電荷因受電場力作用從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)所做的功,電壓的方向規(guī)定為從高電位指向低電位的方向。電壓的國際單位制為伏特(V,簡稱伏),常用的單位還有毫伏(mV)、微伏(μV)、千伏(kV)等。此概念與水位高低所造成的“水壓”相似。需要指出的是,“電壓”一詞一般只用于電路當(dāng)中,“電勢差”和“電位差”則普遍應(yīng)用于一切電現(xiàn)象當(dāng)中。
這是最早的開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)所采用的方法,而且多年來很好地滿足了業(yè)界的需要?;镜碾妷耗J娇刂婆渲檬居趫D1。
電壓模式控制
這種設(shè)計(jì)的主要特性是只存在一條電壓反饋通路,而脈寬調(diào)制是通過將電壓誤差信號與一個恒定斜坡波形進(jìn)行比較來完成的。電流限制必須單獨(dú)執(zhí)行。
1. 采用單個反饋環(huán)路,因而比較容易設(shè)計(jì)和分析。
2. 一個大幅度斜坡波形提供了用于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)制過程的充分噪聲裕量。
3 . 一個低阻抗功率輸出為多輸出電源提供了更加優(yōu)良的交叉調(diào)制性能。
電壓模式控制的缺點(diǎn)可列舉如下:
1.電壓或負(fù)載中的任何變化都必須首先作為一個輸出變化來檢測,然后再由反饋環(huán)路來校正。這常常意味著緩慢的響應(yīng)速度。
2.輸出濾波器給控制環(huán)路增加了兩個極點(diǎn),因而在補(bǔ)償設(shè)計(jì)誤差放大器時就需要將主導(dǎo)極點(diǎn)低頻衰減,或在補(bǔ)償中增加一個零點(diǎn)。
3.由于環(huán)路增益會隨著輸入電壓的變化而改變,因而使補(bǔ)償進(jìn)一步地復(fù)雜化。
上述缺點(diǎn)比較突出,而且,由于電流模式控制使所有這些缺點(diǎn)均得以減輕,因此它一經(jīng)推出便引起了設(shè)計(jì)師們的極大興趣,他們紛紛研究這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖2 給出的示意圖可見,基本的電流模式控制只把振蕩器用作一個固定頻率時鐘,并用一個從輸出電感器電流中得到的信號替代了斜坡波形。
電流模式控制
1.由于電感器電流以一個由 Vi n - Vo所確定的斜率上升,因此對于輸入電壓的變化該波形將立即做出響應(yīng),從而消除了延遲響應(yīng)以及隨著輸入電壓的變化而發(fā)生的增益變化。
2.由于誤差放大器如今用于控制輸出電流而非電壓,因此輸出電感器的影響被降至最低,而且濾波器此時只給反饋環(huán)路提供了單個極點(diǎn)(至少在所關(guān)心的正常區(qū)域中)。與類似的電壓模式電路相比,這既簡化了補(bǔ)償,又獲得了較高的增益帶寬。
3.采用電流模式電路的額外好處包括固有的逐個脈沖電流限制(只需對來自誤差放大器的控制信號進(jìn)行箝位即可),以及在多個電源單元并聯(lián)時易于實(shí)現(xiàn)負(fù)載均
盡管電流模式所提供的改進(jìn)令人印象深刻,但這項(xiàng)技術(shù)也存在其特有的問題,必須在設(shè)計(jì)過程中予以解決。
以下簡要羅列了它的部分缺點(diǎn):
1.如今有兩個反饋環(huán)路,因而增加了電路分析的難度。
2.當(dāng)占空比大于50%時,控制環(huán)路將變得不穩(wěn)定,除非另外采取斜坡補(bǔ)償。
3.由于控制調(diào)制基于一個從輸出電流中得到的信號,因此功率級中的諧振會將噪聲引入控制環(huán)路。
4.一個特別討厭的噪聲源是前沿電流尖峰,通常是由變壓器繞組電容和輸出整流器恢復(fù)電流引起的。
5.由于采用控制環(huán)來實(shí)施電流驅(qū)動,因此負(fù)載調(diào)整率變差,而且在多路輸出時需要耦合電感器以獲得可接受的交叉調(diào)制性能。
于是,我們由上可以得出結(jié)論:雖然電流模式控制將放寬電壓模式控制的許多限制,但它也將給設(shè)計(jì)師帶來諸多新的難題。不過,利用從更近期的功率控制技術(shù)發(fā)展中所獲得的知識,人們對電壓模式控制進(jìn)行了重新評估,結(jié)果表明:針對其主要缺點(diǎn)還有一些其他的校正方法,UCC3570便是業(yè)界的研發(fā)成果。
重新審視電壓模式控制UCC3570對電壓模式控制所做的兩項(xiàng)主要改進(jìn)是電壓前饋和較高頻率能力,前者用于消除輸入電壓變化的影響,后者則允許將輸出濾波器的極點(diǎn)置于標(biāo)準(zhǔn)控制環(huán)路帶寬范圍以上。電壓前饋是通過使斜坡波形的斜率與輸入電壓成正比來實(shí)現(xiàn)的。這提供了一個對應(yīng)和校正的占空比調(diào)制,而無需反饋環(huán)路采取任何動作。結(jié)果是獲得了一個恒定的控制環(huán)路增益以及針對輸入電壓變化的瞬時響應(yīng)。較高頻率能力是通過對該IC使用BiCMOS加工工藝而得以實(shí)現(xiàn)的,這產(chǎn)生了較小的寄生電容和較低的電路延遲。于是,電壓模式控制的許多問題都有所緩解,而并未招致電流模式控制的麻煩。
以上所有的討論均不應(yīng)給您留下“電流模式控制不再有用武之地”的印象——而只應(yīng)是“在當(dāng)今的環(huán)境中,電流模式和電壓模式這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以是適用的選擇”。針對每一種特定的應(yīng)用,某些設(shè)計(jì)依據(jù)有可能表明這一種或另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加適合。部分設(shè)計(jì)依據(jù)概述如下:
在以下場合可考慮使用電流模式:
1.電源輸出將是一個電流源或非常高的輸出電壓。
2.對于某個給定的開關(guān)頻率,需要最快的動態(tài)響應(yīng)。
3.應(yīng)用針對的是一個輸入電壓變化相對受限的DC/DC轉(zhuǎn)換器。
4.需要可并聯(lián)性(parallelability)和負(fù)載均分的模塊化應(yīng)
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(yīng)用中。
而在以下場合中則可以考慮使用具前饋的電壓模式:
1.有可能存在很寬的輸入電壓和/或輸出負(fù)載變化范圍。
2.特別是在低電壓-輕負(fù)載條件下,此時,電流斜坡斜率過于平緩,不利于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的PWM操作。
3.高功率應(yīng)用和/ 或噪聲應(yīng)用(這里,電流波形上的噪聲將難以控制)。
4.需要多個輸出電壓以及較好的交叉調(diào)制性能。
5.可飽和電抗器控制器將被用作輔助次級側(cè)穩(wěn)壓器。
6.需要避免雙反饋環(huán)路和/或斜坡補(bǔ)償之復(fù)雜性的應(yīng)用。
按照這些設(shè)計(jì)依據(jù),UCC3750針對中低功率、隔離、初級側(cè)控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)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(shí)現(xiàn)了諸多的提升。不過,鑒于這并非本文的討論議題,感興趣的讀者可以查閱該產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表以了解更多的相關(guān)信息。
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