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(yùn)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(qiáng)調(diào)[定向運(yùn)動(dòng)]則是為了將其區(qū)分于帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)等不形成電流的運(yùn)動(dòng)方式。

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

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(dǎo)體中[任意時(shí)刻]任意節(jié)點(diǎn)都不會(huì)發(fā)生電荷堆積。比如從電路接通到電流穩(wěn)定這段時(shí)間內(nèi)基爾霍夫電流定律就不成立。

又比如屬于導(dǎo)體的電容器在充電過程就會(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的任意節(jié)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?nèi)我膺x擇電線的-一個(gè)橫截面(即非閉合曲面) , 那么在規(guī)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是在統(tǒng)計(jì)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(yán)格為零。

電流信號在控制回路中的作用

在 Buck 轉(zhuǎn)換器中，電感電流信號常常被利用于控制回路中以實(shí)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(jìn)行比較，兩者之間的差異被放大轉(zhuǎn)換為電流信號在 RC 電路里進(jìn)行累積，由此得到的補(bǔ)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)輸入是來自上橋開關(guān)的電流信號，這個(gè)電流信號會(huì)因每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)被置位的 SR 觸發(fā)器的輸出使上橋開關(guān)導(dǎo)通而開始增加，當(dāng)它增加到超過 VEA 時(shí)，SR 觸發(fā)器便被復(fù)位，于是上橋截止、下橋?qū)ǎ姼须娏鏖_始下降，電路進(jìn)入等待狀態(tài)，直到下一個(gè)周期開始再重復(fù)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(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?qū)ㄆ陂g的電流增長留下了比較多的空間，這也意味著上橋?qū)ǖ臅r(shí)長會(huì)比較長，而由時(shí)鐘信號周期所確定的總時(shí)長是確定的，留給下橋?qū)ǖ臅r(shí)長就會(huì)縮短，電感電流在下橋?qū)ㄆ陂g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，則上述的推理過程就會(huì)反過來，最后我們得到的結(jié)論就是輸出電壓被穩(wěn)定在我們希望的水平上的結(jié)果。

上圖展示的是電流模式控制回路在穩(wěn)定情況下和負(fù)載出現(xiàn)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(fù)載階躍會(huì)造成輸出電壓偏離穩(wěn)態(tài)值的結(jié)果，這個(gè)偏離會(huì)因?yàn)檩敵鲭娙莸膬δ芏霈F(xiàn)滯后。

輸出電壓偏離穩(wěn)態(tài)值的結(jié)果還會(huì)通過累積以后才成為 VEA，因而由負(fù)載的階躍所帶來的輸出電壓的變化要經(jīng)過一段時(shí)間的延遲以后才會(huì)反映在電感電流的變化上，這帶來了穩(wěn)定的結(jié)果，同時(shí)也導(dǎo)致了響應(yīng)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(gòu)中，負(fù)載電流的增加直接導(dǎo)致輸出電壓紋波的增加，因?yàn)檫@種電流在流經(jīng)輸出電容的 ESR 時(shí)直接就轉(zhuǎn)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?qū)ㄟ^程立即就會(huì)發(fā)生，電感電流立即開始增加以彌補(bǔ)輸出電壓的損失，所以 COT 控制架構(gòu)具有瞬態(tài)響應(yīng)速度快的特性。

每次固定時(shí)長的導(dǎo)通過程結(jié)束以后，經(jīng)過一個(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(dǎo)通過程就會(huì)發(fā)生，這個(gè)過程會(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(dāng)?shù)膶?dǎo)通過程就容易發(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(gè)特性，所以 COT 架構(gòu)在遇到陶瓷電容以后就出現(xiàn)了問題。

為了解決這個(gè)問題，一個(gè)改進(jìn)型的 ACOT 控制架構(gòu)，它在 COT 控制架構(gòu)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(jié)合為一體供比較器使用，相當(dāng)于間接提升了 ESR 反應(yīng)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(jié)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(biāo)注為 Frequency Locked Loop 的設(shè)計(jì)，它的作用是測量實(shí)際的工作頻率，然后與預(yù)設(shè)的工作頻率進(jìn)行比較，借此調(diào)節(jié)單脈沖發(fā)生器的脈沖時(shí)長，這個(gè)時(shí)長也就是上橋的每一次導(dǎo)通的時(shí)間長度，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(gòu)是無法做到這一點(diǎn)的，它會(huì)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(gòu)的 Buck 器件在穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作波形和它在遇到負(fù)載階躍時(shí)的響應(yīng)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(shí)觸發(fā)導(dǎo)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(yīng)的波形圖中，我們可以看到階躍負(fù)載導(dǎo)致的連續(xù)出現(xiàn)的導(dǎo)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(diǎn)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(jié)合在一起的做法是被稱為 CMCOT 的控制架構(gòu)：

在此架構(gòu)中，輸出電壓的偏差經(jīng)過誤差放大器轉(zhuǎn)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(xiàn)該電流低于 VEA，一次固定時(shí)長的上橋?qū)ㄟ^程就會(huì)被觸發(fā)，這將使得電感電流迅速上升以彌補(bǔ)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(yīng)的特性，因而導(dǎo)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(diǎn)的工作波形圖和負(fù)載階躍模式下 CM-COT 的響應(yīng)過程圖，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(dǎo)通過程。

電流的三大效應(yīng)

1、熱效應(yīng)

導(dǎo)體通電時(shí)會(huì)發(fā)熱，把這種現(xiàn)象叫做電流熱效應(yīng)。例如：比較熟悉的焦耳定律，是定量說明傳導(dǎo)電流將電能轉(zhuǎn)換為熱能的定律。

2、磁效應(yīng)

電流的磁效應(yīng)：奧斯特發(fā)現(xiàn)，任何通有電流的導(dǎo)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(yīng)。

3、化學(xué)效應(yīng)

電的化學(xué)效應(yīng)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(yīng)。

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