電流的本質(zhì)及電流信號在控制回路中的作用-KIA MOS管

電流的本質(zhì)

電流的本質(zhì)就是帶有非零凈電荷的粒子的定向運動(dòng)。這里的「帶有非零靜電荷的粒子J既可以是電子也可以是其他帶電粒子(比如離子甚至空穴等等) ; 強調[定向運動(dòng)]則是為了將其區分于帶電粒子的熱運動(dòng)等不形成電流的運動(dòng)方式。

禁帶( forbidden band ; forbidden gap ; band gap )指的是價(jià)帶( valence band )和導帶( conduction band )之間的能量區域，禁帶中并不存在電子可占據的能級(這也是它被稱(chēng)為禁帶的原因)。

基爾霍夫電流定律( Kirchhoff' s current law )的成立是有條件的。并不是在導體中[任意時(shí)刻]任意節點(diǎn)都不會(huì )發(fā)生電荷堆積。比如從電路接通到電流穩定這段時(shí)間內基爾霍夫電流定律就不成立。

又比如屬于導體的電容器在充電過(guò)程就會(huì )發(fā)生電荷堆積。對于基爾霍夫電流定律,我們可以將其中所說(shuō)的任意節點(diǎn)推廣為任意不包含電源的閉合曲面。

在基爾霍夫電流定律成立的情況下,流入(或流出)任意不包含電源的閉合曲面的凈電荷為零。如果我們任意選擇電線(xiàn)的-一個(gè)橫截面(即非閉合曲面) , 那么在規定截面方向后流入(或流出)該橫截面的凈電荷并不等于零,這是很顯然的。

最后，上面所說(shuō)的流入(或流出)任意不包含電源的閉合曲面的凈電荷為零這句話(huà)是在統計意義上成立的,在某個(gè)特定時(shí)刻對于任何一個(gè)特定閉合曲面我們并不能絕對地保證流入(或流出)的凈電荷嚴格為零。

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(shí)現良好的控制效果，它比輸出電壓誤差信號來(lái)得更早，效果也更好。

這是電流模式控制系統的示意圖，輸出電壓的取樣信號首先被用來(lái)與參考電壓進(jìn)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(jìn)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(gè)輸入是來(lái)自上橋開(kāi)關(guān)的電流信號，這個(gè)電流信號會(huì )因每個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)被置位的 SR 觸發(fā)器的輸出使上橋開(kāi)關(guān)導通而開(kāi)始增加，當它增加到超過(guò) VEA 時(shí)，SR 觸發(fā)器便被復位，于是上橋截止、下橋導通，電感電流開(kāi)始下降，電路進(jìn)入等待狀態(tài)，直到下一個(gè)周期開(kāi)始再重復上述過(guò)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(huì )比較大，VEA 便會(huì )被推到一個(gè)比較高的地方，這樣就給上橋導通期間的電流增長(cháng)留下了比較多的空間，這也意味著(zhù)上橋導通的時(shí)長(cháng)會(huì )比較長(cháng)，而由時(shí)鐘信號周期所確定的總時(shí)長(cháng)是確定的，留給下橋導通的時(shí)長(cháng)就會(huì )縮短，電感電流在下橋導通期間的降低就會(huì )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(guò)程就會(huì )反過(guò)來(lái)，最后我們得到的結論就是輸出電壓被穩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定情況下和負載出現階躍上升情形下的各點(diǎn)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(huì )造成輸出電壓偏離穩態(tài)值的結果，這個(gè)偏離會(huì )因為輸出電容的儲能而出現滯后。

輸出電壓偏離穩態(tài)值的結果還會(huì )通過(guò)累積以后才成為 VEA，因而由負載的階躍所帶來(lái)的輸出電壓的變化要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲以后才會(huì )反映在電感電流的變化上，這帶來(lái)了穩定的結果，同時(shí)也導致了響應的滯后，我們在得到好處的同時(shí)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(shí)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(guò)程立即就會(huì )發(fā)生，電感電流立即開(kāi)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(shí)長(cháng)的導通過(guò)程結束以后，經(jīng)過(guò)一個(gè)最小化的截止時(shí)段，如果電壓反饋信號仍然低于參考電壓，新的一次導通過(guò)程就會(huì )發(fā)生，這個(gè)過(guò)程會(huì )一直進(jìn)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(huì )變小，不恰當的導通過(guò)程就容易發(fā)生，這就出現了不穩定的問(wèn)題，而偏偏現在大量用作輸出電容的陶瓷電容就有這個(gè)特性，所以 COT 架構在遇到陶瓷電容以后就出現了問(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，一個(gè)改進(jìn)型的 ACOT 控制架構，它在 COT 控制架構中插入了一個(gè)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(gè)實(shí)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(gè)創(chuàng )新性的舉措。

圖中所示的另外一個(gè)創(chuàng )新是標注為 Frequency Locked Loop 的設計，它的作用是測量實(shí)際的工作頻率，然后與預設的工作頻率進(jìn)行比較，借此調節單脈沖發(fā)生器的脈沖時(shí)長(cháng)，這個(gè)時(shí)長(cháng)也就是上橋的每一次導通的時(shí)間長(cháng)度，最后使整個(gè)電路的工作頻率基本保持不變，而原有的 COT 控制架構是無(wú)法做到這一點(diǎn)的，它會(huì )隨著(zhù)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 器件在穩態(tài)時(shí)的工作波形和它在遇到負載階躍時(shí)的響應過(guò)程。在穩態(tài)波形中，我們可以看到反饋信號觸及參考電壓時(shí)觸發(fā)導通過(guò)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出現的導通過(guò)程對輸出偏差的糾正作用，其表現要比電流模式的表現好許多，一點(diǎn)拖泥帶水的情形都沒(méi)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(chēng)為 CMCOT 的控制架構：

在此架構中，輸出電壓的偏差經(jīng)過(guò)誤差放大器轉換為參考電壓 VEA，這個(gè)信號將與取自下橋的電流信號進(jìn)行比較，一旦發(fā)現該電流低于 VEA，一次固定時(shí)長(cháng)的上橋導通過(guò)程就會(huì )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。

下圖是穩態(tài)模式下 CM-COT 電路各點(diǎn)的工作波形圖和負載階躍模式下 CM-COT 的響應過(guò)程圖，我們可以看到電感電流的谷值點(diǎn)直接觸發(fā)了上橋的導通過(guò)程。

電流的三大效應

1、熱效應

導體通電時(shí)會(huì )發(fā)熱，把這種現象叫做電流熱效應。例如：比較熟悉的焦耳定律，是定量說(shuō)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，任何通有電流的導線(xiàn)，都可以在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)的現象，稱(chēng)為電流的磁效應。

3、化學(xué)效應

電的化學(xué)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(zhì)發(fā)生了化學(xué)變化。化學(xué)中的電解水或電鍍等都是電流的化學(xué)效應。

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