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詳解電流信號在控制回路中的作用及電流三大效應(yīng)

詳解電流信號在控制回路中的作用及電流三大效應(yīng)

電流及電流分類

簡介:

導(dǎo)體中的自由電荷在電場力的作用下做有規(guī)則的定向運動就形成了電流。電學(xué)上規(guī)定:正電荷定向流動的方向為電流方向。工程中以正電荷的定向流動方向為電流方向,電流的大小則以單位時間內(nèi)流經(jīng)導(dǎo)體截面的電荷Q來表示其強弱,稱為電流強度。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、強子內(nèi)的夸克。這些載子的移動,形成了電流。

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分類:

電流分為交流電流和直流電流。

交流電:大小和方向都發(fā)生周期性變化。生活中插墻式電器使用的是民用交流電源。交流電在家庭生活、工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的使用,生活民用電壓220V、通用工業(yè)電壓380V,都屬于危險電壓。


直流電:方向不隨時間發(fā)生改變。生活中使用的可移動外置式電源提供的的是直流電。直流電一般被廣泛使用于手電筒(干電池)、手機(鋰電池)等各類生活小電器等。干電池(1.5V)、鋰電池、蓄電池等被稱之為直流電源。因為這些電源電壓都不會超過24V,所以屬于安全電源。


詳解電流信號在控制回路中的作用

在 Buck 轉(zhuǎn)換器中,電感電流信號常常被利用于控制回路中以實現(xiàn)良好的控制效果,它比輸出電壓誤差信號來得更早,效果也更好。

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這是電流模式控制系統(tǒng)的示意圖,輸出電壓的取樣信號首先被用來與參考電壓進行比較,兩者之間的差異被放大轉(zhuǎn)換為電流信號在 RC 電路里進行累積,由此得到的補償電壓 VEA 成為電流比較器的參考輸入。


電流比較器的另一個輸入是來自上橋開關(guān)的電流信號,這個電流信號會因每個時鐘周期開始時被置位的 SR 觸發(fā)器的輸出使上橋開關(guān)導(dǎo)通而開始增加,當(dāng)它增加到超過 VEA 時,SR 觸發(fā)器便被復(fù)位,于是上橋截止、下橋?qū),電感電流開始下降,電路進入等待狀態(tài),直到下一個周期開始再重復(fù)上述過程。


如果輸出電壓的反饋信號與參考電壓相比太低了,誤差放大器的輸出信號便會比較大,VEA 便會被推到一個比較高的地方,這樣就給上橋?qū)ㄆ陂g的電流增長留下了比較多的空間,這也意味著上橋?qū)ǖ臅r長會比較長,而由時鐘信號周期所確定的總時長是確定的,留給下橋?qū)ǖ臅r長就會縮短,電感電流在下橋?qū)ㄆ陂g的降低就會比較少,這樣就得到了占空比提升、電感電流均值提升的效果。


如果輸出電壓的反饋信號比參考電壓高了,則上述的推理過程就會反過來,最后我們得到的結(jié)論就是輸出電壓被穩(wěn)定在我們希望的水平上的結(jié)果。

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上圖展示的是電流模式控制回路在穩(wěn)定情況下和負(fù)載出現(xiàn)階躍上升情形下的各點波形圖,從中可以看到誤差放大器的輸出 VEA 對輸出電流峰值的限制效果。負(fù)載階躍會造成輸出電壓偏離穩(wěn)態(tài)值的結(jié)果,這個偏離會因為輸出電容的儲能而出現(xiàn)滯后。


輸出電壓偏離穩(wěn)態(tài)值的結(jié)果還會通過累積以后才成為 VEA,因而由負(fù)載的階躍所帶來的輸出電壓的變化要經(jīng)過一段時間的延遲以后才會反映在電感電流的變化上,這帶來了穩(wěn)定的結(jié)果,同時也導(dǎo)致了響應(yīng)的滯后,我們在得到好處的同時也在承受一定的不足。


在 COT 控制架構(gòu)中,負(fù)載電流的增加直接導(dǎo)致輸出電壓紋波的增加,因為這種電流在流經(jīng)輸出電容的 ESR 時直接就轉(zhuǎn)換為電壓信號了,而一旦輸出電壓反饋信號低于參考電壓,新的一次上橋?qū)ㄟ^程立即就會發(fā)生,電感電流立即開始增加以彌補輸出電壓的損失,所以 COT 控制架構(gòu)具有瞬態(tài)響應(yīng)速度快的特性。


每次固定時長的導(dǎo)通過程結(jié)束以后,經(jīng)過一個最小化的截止時段,如果電壓反饋信號仍然低于參考電壓,新的一次導(dǎo)通過程就會發(fā)生,這個過程會一直進行到電壓反饋信號高于參考電壓為止。


輸出電壓的升高是由輸出電容的儲能和流經(jīng)輸出電容 ESR 的電流紋波造成的,如果輸出電容的 ESR 變小了,反饋得到的輸出電壓紋波信號就會變小,不恰當(dāng)?shù)膶?dǎo)通過程就容易發(fā)生,這就出現(xiàn)了不穩(wěn)定的問題,而偏偏現(xiàn)在大量用作輸出電容的陶瓷電容就有這個特性,所以 COT 架構(gòu)在遇到陶瓷電容以后就出現(xiàn)了問題。


立锜科技為了解決這個問題,搞了一個改進型的 ACOT? 控制架構(gòu),它在 COT 控制架構(gòu)中插入了一個電感電流模擬裝置,讓它的輸出與反饋信號結(jié)合為一體供比較器使用,相當(dāng)于間接提升了 ESR 反應(yīng)的電流信號的幅度,取得了改善 COT 穩(wěn)定性的效果。

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圖中的 PSR 便是電感電流信號模擬裝置,它的輸出與反饋信號 VFB 結(jié)合為一體成為比較器的輸入。PSR 不是一個實際的電流檢測電路,但是具有電流檢測的效果,這也可以看作是一個創(chuàng)新性的舉措。


圖中所示的另外一個創(chuàng)新是標(biāo)注為 Frequency Locked Loop 的設(shè)計,它的作用是測量實際的工作頻率,然后與預(yù)設(shè)的工作頻率進行比較,借此調(diào)節(jié)單脈沖發(fā)生器的脈沖時長,這個時長也就是上橋的每一次導(dǎo)通的時間長度,最后使整個電路的工作頻率基本保持不變,而原有的 COT 控制架構(gòu)是無法做到這一點的,它會隨著工作條件的變化而變化。

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這幅圖顯示的是采用 ACOT? 控制架構(gòu)的 Buck 器件在穩(wěn)態(tài)時的工作波形和它在遇到負(fù)載階躍時的響應(yīng)過程。在穩(wěn)態(tài)波形中,我們可以看到反饋信號觸及參考電壓時觸發(fā)導(dǎo)通過程的情況,輸出電壓紋波在其中起了很重要的作用。


在階躍響應(yīng)的波形圖中,我們可以看到階躍負(fù)載導(dǎo)致的連續(xù)出現(xiàn)的導(dǎo)通過程對輸出偏差的糾正作用,其表現(xiàn)要比電流模式的表現(xiàn)好許多,一點拖泥帶水的情形都沒有。


一種將電流模式的好處和 COT 模式的好處結(jié)合在一起的做法是被稱為 CMCOT 的控制架構(gòu):

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在此架構(gòu)中,輸出電壓的偏差經(jīng)過誤差放大器轉(zhuǎn)換為參考電壓 VEA,這個信號將與取自下橋的電流信號進行比較,一旦發(fā)現(xiàn)該電流低于 VEA,一次固定時長的上橋?qū)ㄟ^程就會被觸發(fā),這將使得電感電流迅速上升以彌補輸出電壓的下降損失,這樣就既有電流模式穩(wěn)定的特性,又有 COT 模式快速響應(yīng)的特性,因而導(dǎo)致了一種介于電流模式和 COT 模式之間的綜合性效果。


下圖是穩(wěn)態(tài)模式下 CM-COT 電路各點的工作波形圖和負(fù)載階躍模式下 CM-COT 的響應(yīng)過程圖,我們可以看到電感電流的谷值點直接觸發(fā)了上橋的導(dǎo)通過程。

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電流的三大效應(yīng)

1、熱效應(yīng)

導(dǎo)體通電時會發(fā)熱,把這種現(xiàn)象叫做電流熱效應(yīng)。例如:比較熟悉的焦耳定律,是定量說明傳導(dǎo)電流將電能轉(zhuǎn)換為熱能的定律。

2、磁效應(yīng)

電流的磁效應(yīng):奧斯特發(fā)現(xiàn),任何通有電流的導(dǎo)線,都可以在其周圍產(chǎn)生磁場的現(xiàn)象,稱為電流的磁效應(yīng)。

3、化學(xué)效應(yīng)

電的化學(xué)效應(yīng)主要是電流中的帶電粒子(電子或離子)參與而使得物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)變化;瘜W(xué)中的電解水或電鍍等都是電流的化學(xué)效應(yīng)。

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