詳解電流信號在控制回路中的作用及電流三大效應

詳解電流信號在控制回路中的作用及電流三大效應

電流及電流分類

簡介：

導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。

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。

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導通而開始增加，當它增加到超過 VEA 時，SR 觸發(fā)器便被復位，于是上橋截止、下橋導通，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，這樣就給上橋導通期間的電流增長留下了比較多的空間，這也意味著上橋導通的時長會比較長，而由時鐘信號周期所確定的總時長是確定的，留給下橋導通的時長就會縮短，電感電流在下橋導通期間的降低就會比較少，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，最后我們得到的結論就是輸出電壓被穩(wěn)定在我們希望的水平上的結果。

上圖展示的是電流模式控制回路在穩(wěn)定情況下和負載出現(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。負載階躍會造成輸出電壓偏離穩(wěn)態(tài)值的結果，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)值的結果還會通過累積以后才成為 VEA，因而由負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)定的結果，同時也導致了響應的滯后，我們在得到好處的同時也在承受一定的不足。

在 COT 控制架構中，負載電流的增加直接導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，新的一次上橋導通過程立即就會發(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 控制架構具有瞬態(tài)響應速度快的特性。

每次固定時長的導通過程結束以后，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?shù)膶ㄟ^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，它在 COT 控制架構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合為一體供比較器使用，相當于間接提升了 ESR 反應的電流信號的幅度，取得了改善 COT 穩(wěn)定性的效果。

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)新是標注為 Frequency Locked Loop 的設計，它的作用是測量實際的工作頻率，然后與預設的工作頻率進行比較，借此調節(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 控制架構是無法做到這一點的，它會隨著工作條件的變化而變化。

這幅圖顯示的是采用 ACOT? 控制架構的 Buck 器件在穩(wěn)態(tài)時的工作波形和它在遇到負載階躍時的響應過程。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。

在階躍響應的波形圖中，我們可以看到階躍負載導致的連續(xù)出現(xiàn)的導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 模式的好處結合在一起的做法是被稱為 CMCOT 的控制架構：

在此架構中，輸出電壓的偏差經(jīng)過誤差放大器轉換為參考電壓 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導通過程就會被觸發(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 模式快速響應的特性，因而導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載階躍模式下 CM-COT 的響應過程圖，我們可以看到電感電流的谷值點直接觸發(fā)了上橋的導通過程。

電流的三大效應

1、熱效應

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

2、磁效應

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

3、化學效應

電的化學效應主要是電流中的帶電粒子（電子或離子）參與而使得物質發(fā)生了化學變化。化學中的電解水或電鍍等都是電流的化學效應。