单个电源可控制多个环路

作者：Robert Taylor，德州仪器(TI)应用经理

在电源调节过程中，尽管同时控制多个环路会存在一些问题，但如果我们能了解系统的约束条件，就可以想出一种可行的策略。

在我的职业生涯中，我设计的大多数电源都具有一个固定的可调节电压，能够单路输入与单路输出。然而在很多情况下，有必要调节的并不仅仅是输出电压。

例如，当使用发光二极管(LED)驱动器时，我们通常能够控制LED的电流。在电池充电器中，我们通常需要对充电电流进行限制，直到电池达到一个预设的电压阈值;然后再调节电压。USB端口只能支撑与通过一定的电流量，具体电流量因不同应用而异。在这些情况下，限制输入电流是十分有必要的。能实现这些功能的例子有很多，下面让我们参考以下几个例子。

第一个例子是一款电池充电器 —— 其输出电流在快速充电期间被调节到一定的电平。之后则主要由一个电压环路来调节电池电压。图1展示了隔离反激式电池充电器的方框图。

图1：适合为电池充电的隔离反激式充电器

在运行期间，只有一个控制环路处于工作状态，因为这两个环路是由D1通过逻辑运算符“或”联结而成的二极管。该办法有几大优势：第一，两个环路都可提供非常精确的调节功能;第二，每个环路的都能获得单独的补偿均，从而确保两个环路的稳定性。在电压调节阶段，功率级中有一个额外的电极(在电流调节阶段不存在该电极)。然而，在快速的状态变化期间，这种方法的不足之处也随之显现。

当电源在电流调节模式下工作时，电压放大器输出电平可被电轨拉高。如果移除电池，那么电流会突然减小，电压环路就需要接管控制任务。由于放大器和补偿需要时间作出响应，电源输出会出现过冲的情况。如果补偿被调整得可增加中频带环路增益，就能减小过冲。另一种选项是从放大器的输出端添加一个额外的二极管用作参考(图1，D2)。这有助于将放大器的输出电压钳位到一个较低值，从而防止饱和并加快响应速度。需要添加的单独参考以及软性电路是采用多个外部放大器的方法又一缺点，因为这会增加系统的复杂性和成本。

第二个例子来自一种升压型转换器 —— 该转换器专为从USB端口获取功率而设计。USB端口可为不同类型的接口提供500mA、1A、1.5A甚至高达3A的电流。如果一种配件试图汲取过大的电流，那么它会使总线超载并导致端口过热或关断主机设备。一种原始的方法是：在减小负载电流之前监测输入电压并等待它降到低于某一阈值。这种方法虽然可行，但并不理想。如果该端口包含一个USB开关，那么这种方法可能导致该端口连续复位。如果电流不受限制，那么它会导致要获取的功率超过主机可支持的范围。解决这一问题的另一种方法与我们的电池充电器示例非常相似。但是，这一次我们将调节输入电流和输出电压。图2展示了输入电流受限制的升压型转换器的方框图。

图2：可调节输入电流的USB升压型转换器

该电路具有与第一个实例完全相同的优势和劣势。值得特别注意的是，因为这是一款升压型变换器，所以在拥有多个环路时补偿问题尤为棘手。此外，在这种情况下，由于电流不是以接地(GND)作为参考的，故我们需要另添加一个电流检测放大器。图3展示了该电路能精确地调节输出电压和输入电流的优势。输出电压经过设置，可从一个USB输入端(此处电压为9V)进行调节。此外还展示了不同输入电流调节设置(500mA、1.5A、1.8A和3A)的四条曲线。

图3：输入电流和输出电压都经过了严格的调节

最后一个例子是能在启动过程中限制输入电流、然后再调节输出电压的电路。当有必要为电容器的大型输出组充电时，这种类型的电路会非常有用。前面的两个电路使用多个外部放大器来调节电流和电压环路，并且大多数控制器都包括一个集成式电压环路放大器(该放大器仍然可被利用)。图4展示了如何用内置的误差放大器和补偿器的输出来减少必要外部零件数量。基本运行原理是：电流环路处于工作状态时，可拉低电压放大器的输出电平。当电流环路处于非工作状态时，它的输出电平变高，并且不会影响正常运行。需要指出的是，该方案仍然存在需要外部参考的这一缺点。

图4：可为超级电容器充电的降压型转换器

参考文献

作者：John Betten， 《具有电流模式控制功能的LED降压型稳压器可简化补偿过程》

作者简介: 在德州仪器(TI)，Robert Taylor是电源设计服务部的应用经理，也是技术骨干团队成员。Taylor从位于盖恩斯维尔(Gainesville)的佛罗里达大学(University of Florida)获得了他的电机工程硕士学位(MSEE)和电机工程学士学位(BSEE)。