不妨设电压环带宽远低于电流环,则在分析电流环时Vcv为常数。当Vc的上升斜率等于三角波斜率时,在开关频率fs处,电流误差放大器的增益GCA为GCA[d(iLRs)/dt]=GCA(Vo/L)Rs=Vsfs (18)、GCA=Vc'/(iL'Rs)=VsfsL/(UoRs) (19)
高频下,将式(14)分子中的“1”和分母中的低阶项忽略,并化简,得iL'(s)=[d(s)Uin]/sL (20)
由式(17)及式(20)有(iL'Rs)/Vc'=[Rsd(s)Uin/(sL)]/[d(s)Vs/D]=(RsUinD)/(sLVs) (21)
将式(19)与式(21)相乘,得整个电流环的开环传递函数为(RsUinD/sLVs)·(VsfsL)/(UoRs)=fs/s (22)
将s=2πfc代入上式,并令上式等于1时,可得环路的剪切频率fc=fs/(2π)。因此,可将电流环等效为延时时间常数为一个开关周期的纯惯性环节,如图6所示。显然,当电流误差放大器的增益GCA小于最优值时,电流响应的延时将会更长。

图6 电流环的传递函数示意图
GCA 中一般要在fs处或更高频处形成一个高频极点,以使fs以后的电流环开环增益以-40dB/dec的斜率下降,这样虽然使相角裕量稍变小,但可以消除电流反馈波形上的高频毛刺的影响,提高电流环的抗干扰能力。低频下一般要加一个零点,使电流环开环增益变大,减小稳态误差。
峰值电流模式控制(PeakCMC)
平均CMC由于要采样滤波电感的电流,有时显得不太方便,因此,实践中经常采用一种变通的电流模式控制方法,即峰值CMC,如图8所示。电压外环输出控制量(Vc)和由电感电流上升沿形成的斜坡波形(Vs)通过电压比较器进行比较后,直接得到开关管的关断信号(开通信号由时钟自动给出),因此,电压环的输出控制量是电感电流的峰值给定量,由电感电流峰值控制占空比。

图8 峰值电流模式控制示意图
峰值CMC控制的是电感电流的峰值,而不是电感电流(经滤波后即负载电流),而峰值电流和平均电流之间存在误差,因此,峰值CMC性能不如平均CMC。一般满载时电感电流在导通期间的电流增量设计为额定电流的10%左右,因此,最好情况下峰值电感电流和平均值之间的误差也有5%,负载越轻误差越大,特别是进入不连续电流(DCM)工作区后误差将超过100%,系统有时可能会出现振荡现象。在剪切频率fc以下,由图6可知平均CMC的电流环开环增益可升到很高(可以>1000),电流可完全得到控制,但峰值CMC的电流环开环增益只能保持在10以内不变(峰值电流和平均值之间的误差引起),因此,峰值 CMC更适用于满载场合。
峰值CMC的缺点还包括对噪音敏感,需要进行斜坡补偿解决次谐波振荡等问题。但由于峰值CMC存在逐周波限流等特有的优点,且容易通过脉冲电流互感器等简单办法复现电感电流峰值,因此,它在Buck电路中仍然得到了广泛应用。
结语
采用平均状态方程的方法可以得到Buck电路的小信号频域模型,并可依此进行环路设计。电压模式控制、平均电流模式控制和峰值电流模式控制方法均可用来进行环路设计,各有其优缺点,适用的范围也不尽相同。