LTspice中电流模式控制降压变换器的分析
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在本文中，我们使用电压波形来探索CMC降压转换器中关键子电路的电气行为。
在前两篇文章中，我们探讨了图1所示的电流模式控制（CMC）降压转换器的设计原理和基本操作。在本文中，我们将使用模拟来对电路的电气行为进行相当精细的分析。
图1。在LTspice中实现的CMC降压转换器。
启动行为
我的LTspice实现与我基于它的电路之间有两个主要区别：
我们在上一篇文章的最后讨论了缺乏坡度补偿的问题。
我加入了额外的电路，可以帮助启动调节器，我们现在将讨论。
如果您检查图1，您将看到比较器的输出没有直接连接到SR锁存器的重置线。由任意行为电压源B1控制的PWMR信号反而驱动复位线。在标有TMR（表示“定时器”）的电压源的帮助下，B1最初将PWMR连接到设置锁存器的方波的反相版本。TMR电压从0V逐渐上升到5V；在模拟开始后t=1ms处，它跨越2.5V。
这种情况导致B1断开PWMR与反相振荡器信号的连接，并将其连接到比较器的输出。这听起来可能很复杂，但这只是允许反馈回路工作的一种方式——它迫使调节器开始切换并产生一些电流和电压动作。
如果你完全复制了我的电路，你就不需要启动辅助电路，但即使是微小的调整也可能干扰启动，如果调节器没有切换，你就无法有效地诊断和纠正问题。
图2显示了没有启动辅助电路的示意图。我们将使用此版本的示意图进行本文中讨论的模拟。请注意，比较器的输出直接连接到锁存器的复位引脚。
没有启动辅助电路的峰值CMC降压转换器的LTspice示意图。
图2:CMC降压转换器，无启动辅助电路。
输出收敛
图3显示了电压调节器启动后的瞬态行为。
CMC降压转换器在启动后的电压行为。输出电压短暂峰值，然后稳定在所需水平。
图3。CMC降压转换器启动后的瞬态行为。
调节器只需要大约100μs就可以高精度地收敛到所需的输出电压上。正如我们在图4中所看到的，波纹幅度相当低。
模拟CMC降压转换器的输出纹波。
图4。CMC降压转换器输出纹波。
误差放大器
正如我在前一篇文章中所解释的，误差放大器没有直流反馈路径，因此，如果输出缓慢地高于或低于所需电压，它将像比较器一样工作。然而，在正常情况下，调节器回路锁定在输出电压上。VFB和VREF之间的差异是由小的、频繁发生的振幅变化引起的。这意味着误差放大器的作用类似于放大器，而不是比较器，如图5所示。
模拟CMC降压转换器中误差放大器的电压波形。
图5。CMC降压转换器中的正常误差放大器行为。
比较器和SR锁存器
CONTROL信号成为允许电感器电流控制PWM动作的阈值。让我们来看看这是如何工作的。
环路被设计为使得CONTROL信号相对于IND_RAMP信号处于适当的范围内。系统的振荡器连接到锁存器的设置引脚。在每个开关周期的开始，振荡器转换到逻辑高，导致锁存器的Q输出依次转换到逻辑低。这被称为“设置”闩锁。
如果Q为高电平，则主电源开关（M1）接通。当M1接通时，电流流过电感器，IND_RAMP上升。当表示电感器电流的电压超过CONTROL建立的阈值电平时，比较器输出变高。这导致锁存器的Q输出转换为逻辑低，从而“重置”锁存器。现在M1关断，电感器电流开始斜坡下降。振荡器最终再次设置锁存器，并且循环重复。
简言之，以下事件在单个切换周期内按顺序发生：
振荡器达到逻辑高电平。
锁存器的Q输出变为逻辑高。M1现在打开。
电感器电流增加。
表示电感器电流的电压超过CONTROL阈值。
比较器输出变高。
锁存器的Q输出变为逻辑低。M1现已关闭。
电感器电流下降。
图6中的多窗格图很好地讲述了这个故事，尽管您可能需要思考一段时间。
CMC降压转换器中比较器和SR锁存器的电压波形。
图6。比较器和SR锁存器在0.040ms周期内的电压行为。
图7中的版本更清楚地显示了时序关系：PWM信号的逻辑高部分从振荡器信号的上升沿开始，并在IND_RAMP达到CONTROL时结束，导致比较器重置锁存器。
图6中比较器和SR锁存器的电压波形，但时间较短。
图7。比较器和SR锁存器的电压行为超过约0.015 ms。
占空比决定输出电压，但控制回路不必完全依赖输出电压来正确调整占空比。相反，输出电压通过误差放大器提供阈值。电感器电流提供了控制功率开关的基本模式（因此电流模式控制）。
比较器输出和开关状态之间的联系，以及开关状态和电感器电流之间的联系有时会导致IND_RAMP信号在CONTROL信号的上方和下方Z字形。这反过来又导致PWM信号中的杂散转变。
这些转变不会严重损害调节器的功能，但值得注意的是——至少出于模拟目的——你可以通过降低比较器的磁滞电压来减轻它们。之前的图是在磁滞电压为10mV的情况下生成的。在图8中，它被降低到1mV。
图6和图7中比较器和SR锁存器的电压波形，但磁滞减少了9mV。
图8。具有磁滞的比较器和SR锁存器的电压行为从10mV降低到1mV。
这些结果看起来好多了。尽管如此，我认为这种磁滞调整只是在我的无噪声模拟环境中的一种解决方案。在现实世界中，您需要根据应用程序中的噪声量和类型来设置电路的磁滞。
总结
在本文中，我们检查了与CMC降压转换器的输出级、误差放大器和PWM发生器相关的电压波形。我希望你觉得这次讨论内容丰富，并且你喜欢思考复杂的信号和组件相互作用，这些相互作用使稳健的开关模式调节成为可能。
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