详解电流信号在控制回路中的作用及电流三大效应

电流及电流分类

简介：

导体中的自由电荷在电场(chang)力的作用下做有规(gui)则的定向(xiang)运动就形成了电流。电学上规定(ding)：正电荷(he)定(ding)向流(liu)动的(de)方(fang)(fang)向为电流(liu)方(fang)(fang)向。工程中以(yi)正电荷(he)的(de)定(ding)向流(liu)动方(fang)(fang)向为电流(liu)方(fang)(fang)向，电流(liu)的(de)大小则以(yi)单位时间内流(liu)经导体(ti)截面的(de)电荷(he)Q来(lai)表示其(qi)强(qiang)弱，称为电流(liu)强(qiang)度。大(da)自然有(you)很多种承载(zai)电(dian)(dian)荷的(de)(de)载(zai)子(zi)。例(li)如：导电(dian)(dian)体内可移(yi)动的(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)、电(dian)(dian)解液内的(de)(de)离(li)子(zi)、等离(li)子(zi)体内的(de)(de)电(dian)(dian)子(zi)和(he)离(li)子(zi)、强子(zi)内的(de)(de)夸克。这些载(zai)子(zi)的(de)(de)移(yi)动，形成了电(dian)(dian)流。

分类：

电(dian)流分为交流电(dian)流和直流电(dian)流。

交流(liu)电：大小(xiao)和(he)方(fang)向(xiang)都发生周(zhou)期性变化。生活(huo)中(zhong)插墙式电器使用(yong)的是民(min)用(yong)交流(liu)电源。交流(liu)电在家庭生活(huo)、工业生产中(zhong)有(you)着广泛的使用(yong)，生活(huo)民(min)用(yong)电压(ya)220V、通用(yong)工业电压(ya)380V，都属于危险电压(ya)。

直流电(dian)(dian)：方向不(bu)随时间(jian)发生(sheng)改变。生(sheng)活中(zhong)使用(yong)的可移动外置式电(dian)(dian)源提供的的是直流电(dian)(dian)。直流电(dian)(dian)一般被(bei)广泛使用(yong)于手电(dian)(dian)筒（干电(dian)(dian)池）、手机（锂(li)电(dian)(dian)池）等各类生(sheng)活小电(dian)(dian)器等。干电(dian)(dian)池（1.5V）、锂(li)电(dian)(dian)池、蓄电(dian)(dian)池等被(bei)称之为直流电(dian)(dian)源。因为这些电(dian)(dian)源电(dian)(dian)压(ya)都不(bu)会超过24V，所以属于安全电(dian)(dian)源。

详解电流信号在控制回路中的作用

在(zai) Buck 转换器中，电感电流信号常常被利(li)用于控制回路中以实现良好的控制效果，它(ta)比输出电压误差信号来得更早，效果也更好。

这是电(dian)流(liu)模(mo)式控制系(xi)统的示意图，输出电(dian)压(ya)(ya)的取样信(xin)号首先(xian)被(bei)用(yong)来与参(can)考(kao)电(dian)压(ya)(ya)进(jin)行比较(jiao)，两者之间的差异被(bei)放大转(zhuan)换(huan)为电(dian)流(liu)信(xin)号在 RC 电(dian)路里进(jin)行累积，由此(ci)得到的补偿电(dian)压(ya)(ya) VEA 成为电(dian)流(liu)比较(jiao)器的参(can)考(kao)输入。

电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)比较器(qi)的(de)另(ling)一个输入(ru)是(shi)来自上(shang)桥(qiao)(qiao)开(kai)关的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)信号(hao)，这个电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)信号(hao)会因每个时(shi)钟(zhong)周期(qi)开(kai)始(shi)(shi)时(shi)被置位的(de) SR 触发(fa)器(qi)的(de)输出使上(shang)桥(qiao)(qiao)开(kai)关导通而开(kai)始(shi)(shi)增加，当它(ta)增加到(dao)超过(guo) VEA 时(shi)，SR 触发(fa)器(qi)便被复(fu)(fu)位，于是(shi)上(shang)桥(qiao)(qiao)截(jie)止、下桥(qiao)(qiao)导通，电(dian)(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)开(kai)始(shi)(shi)下降(jiang)，电(dian)(dian)(dian)(dian)路进入(ru)等待状态，直到(dao)下一个周期(qi)开(kai)始(shi)(shi)再重复(fu)(fu)上(shang)述过(guo)程。

如果(guo)输(shu)出(chu)电(dian)(dian)压的(de)(de)(de)(de)(de)反(fan)馈信号(hao)与参(can)考电(dian)(dian)压相比(bi)(bi)(bi)太低(di)了，误差(cha)放大器的(de)(de)(de)(de)(de)输(shu)出(chu)信号(hao)便会比(bi)(bi)(bi)较(jiao)大，VEA 便会被推到一个比(bi)(bi)(bi)较(jiao)高的(de)(de)(de)(de)(de)地方，这(zhei)样(yang)就给(ji)(ji)上(shang)桥导通期(qi)(qi)间(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)流增长(zhang)留下了比(bi)(bi)(bi)较(jiao)多的(de)(de)(de)(de)(de)空间(jian)，这(zhei)也意味着上(shang)桥导通的(de)(de)(de)(de)(de)时(shi)长(zhang)会比(bi)(bi)(bi)较(jiao)长(zhang)，而(er)由(you)时(shi)钟信号(hao)周期(qi)(qi)所确定的(de)(de)(de)(de)(de)总时(shi)长(zhang)是确定的(de)(de)(de)(de)(de)，留给(ji)(ji)下桥导通的(de)(de)(de)(de)(de)时(shi)长(zhang)就会缩(suo)短，电(dian)(dian)感电(dian)(dian)流在下桥导通期(qi)(qi)间(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)降低(di)就会比(bi)(bi)(bi)较(jiao)少，这(zhei)样(yang)就得(de)到了占空比(bi)(bi)(bi)提升、电(dian)(dian)感电(dian)(dian)流均值(zhi)提升的(de)(de)(de)(de)(de)效果(guo)。

如果(guo)输(shu)出电(dian)压的(de)反(fan)馈信号比(bi)参考电(dian)压高了，则上述的(de)推理(li)过(guo)程(cheng)就会反(fan)过(guo)来，最(zui)后我(wo)们得(de)到的(de)结论就是输(shu)出电(dian)压被稳(wen)定(ding)在(zai)我(wo)们希(xi)望的(de)水平上的(de)结果(guo)。

上(shang)图展示的(de)(de)(de)是电(dian)(dian)流模式控制回路在稳定情(qing)(qing)况下(xia)和负载出现阶跃上(shang)升情(qing)(qing)形(xing)下(xia)的(de)(de)(de)各点波(bo)形(xing)图，从中可以看到误差放大器(qi)的(de)(de)(de)输(shu)出 VEA 对输(shu)出电(dian)(dian)流峰值(zhi)的(de)(de)(de)限制效(xiao)果(guo)。负载阶跃会造成输(shu)出电(dian)(dian)压偏离稳态(tai)值(zhi)的(de)(de)(de)结果(guo)，这(zhei)个偏离会因为(wei)输(shu)出电(dian)(dian)容的(de)(de)(de)储能而出现滞(zhi)后(hou)。

输(shu)出电压偏离稳态值(zhi)的(de)(de)结果(guo)还会(hui)通过累积以后才(cai)成为 VEA，因而由负(fu)载(zai)的(de)(de)阶跃所带(dai)来(lai)的(de)(de)输(shu)出电压的(de)(de)变化(hua)(hua)要经过一段时(shi)(shi)间(jian)的(de)(de)延(yan)迟以后才(cai)会(hui)反映在(zai)电感电流的(de)(de)变化(hua)(hua)上，这带(dai)来(lai)了稳定的(de)(de)结果(guo)，同时(shi)(shi)也导致了响应的(de)(de)滞后，我们(men)在(zai)得到好处的(de)(de)同时(shi)(shi)也在(zai)承受(shou)一定的(de)(de)不足。

在 COT 控制(zhi)(zhi)架构中(zhong)，负载(zai)电(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)增加(jia)直(zhi)接(jie)导(dao)致输(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)纹波的(de)增加(jia)，因为(wei)这种(zhong)电(dian)(dian)(dian)流(liu)在流(liu)经输(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)容(rong)的(de) ESR 时直(zhi)接(jie)就(jiu)(jiu)转(zhuan)换为(wei)电(dian)(dian)(dian)压(ya)信(xin)号了，而一旦输(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)反馈(kui)信(xin)号低于参考电(dian)(dian)(dian)压(ya)，新的(de)一次(ci)上(shang)桥导(dao)通过程(cheng)立(li)即(ji)就(jiu)(jiu)会发(fa)生，电(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)流(liu)立(li)即(ji)开始增加(jia)以(yi)(yi)弥补输(shu)出(chu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)损失，所以(yi)(yi) COT 控制(zhi)(zhi)架构具有瞬态(tai)响(xiang)应速度快的(de)特(te)性。

每次固定(ding)时长的导通过程结束以后，经过一个最小(xiao)化(hua)的截止时段(duan)，如果电(dian)压(ya)(ya)反馈信(xin)号仍然低于参考电(dian)压(ya)(ya)，新的一次导通过程就会(hui)(hui)发生，这个过程会(hui)(hui)一直进行到电(dian)压(ya)(ya)反馈信(xin)号高于参考电(dian)压(ya)(ya)为止。

输出(chu)(chu)(chu)(chu)电压的(de)(de)升高(gao)是(shi)由输出(chu)(chu)(chu)(chu)电容的(de)(de)储能和流(liu)经输出(chu)(chu)(chu)(chu)电容 ESR 的(de)(de)电流(liu)纹波造(zao)成的(de)(de)，如果输出(chu)(chu)(chu)(chu)电容的(de)(de) ESR 变小(xiao)了(le)，反(fan)馈(kui)得到(dao)(dao)的(de)(de)输出(chu)(chu)(chu)(chu)电压纹波信号就(jiu)会变小(xiao)，不(bu)恰(qia)当的(de)(de)导通过程就(jiu)容易发生，这就(jiu)出(chu)(chu)(chu)(chu)现(xian)(xian)了(le)不(bu)稳(wen)定的(de)(de)问题，而偏偏现(xian)(xian)在(zai)大量用作(zuo)输出(chu)(chu)(chu)(chu)电容的(de)(de)陶(tao)瓷电容就(jiu)有这个特性(xing)，所以(yi) COT 架构(gou)在(zai)遇到(dao)(dao)陶(tao)瓷电容以(yi)后(hou)就(jiu)出(chu)(chu)(chu)(chu)现(xian)(xian)了(le)问题。

立锜科技为了解(jie)决这个问题，搞了一个改进型(xing)的(de) ACOT? 控(kong)制(zhi)架(jia)构，它在(zai) COT 控(kong)制(zhi)架(jia)构中插(cha)入了一个电(dian)感(gan)电(dian)流(liu)模拟装(zhuang)置，让它的(de)输出与反(fan)(fan)馈(kui)信(xin)号结(jie)合为一体供比较器(qi)使(shi)用，相当于(yu)间(jian)接提升了 ESR 反(fan)(fan)应(ying)的(de)电(dian)流(liu)信(xin)号的(de)幅度，取得了改善 COT 稳定性的(de)效(xiao)果。

图中的(de) PSR 便(bian)是电(dian)感电(dian)流信号(hao)模拟装置，它的(de)输(shu)出与反馈信号(hao) VFB 结合为一(yi)(yi)体(ti)成(cheng)为比较器的(de)输(shu)入。PSR 不(bu)是一(yi)(yi)个实际的(de)电(dian)流检测电(dian)路，但是具(ju)有电(dian)流检测的(de)效(xiao)果，这也可以(yi)看(kan)作是一(yi)(yi)个创(chuang)新性的(de)举措(cuo)。

图中所示的(de)(de)另外(wai)一(yi)个创(chuang)新是标注为 Frequency Locked Loop 的(de)(de)设计，它的(de)(de)作(zuo)用是测量实际的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)频(pin)(pin)率，然后与(yu)预设的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)频(pin)(pin)率进行比(bi)较，借此调节单脉(mai)(mai)冲发生器的(de)(de)脉(mai)(mai)冲时长，这(zhei)个时长也就是上桥的(de)(de)每一(yi)次导通的(de)(de)时间(jian)长度(du)，最后使(shi)整个电路的(de)(de)工(gong)(gong)作(zuo)频(pin)(pin)率基本(ben)保持(chi)不变(bian)，而原有的(de)(de) COT 控制架构是无法做(zuo)到这(zhei)一(yi)点的(de)(de)，它会(hui)随(sui)着(zhe)工(gong)(gong)作(zuo)条(tiao)件的(de)(de)变(bian)化(hua)而变(bian)化(hua)。

这幅图显示(shi)的(de)(de)(de)是(shi)采用 ACOT? 控制(zhi)架构的(de)(de)(de) Buck 器件(jian)在(zai)(zai)稳态时的(de)(de)(de)工作波(bo)形和(he)它在(zai)(zai)遇到(dao)负载阶(jie)跃时的(de)(de)(de)响应过(guo)程(cheng)。在(zai)(zai)稳态波(bo)形中，我们可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)反馈信(xin)号(hao)触(chu)及参(can)考电压时触(chu)发(fa)导通过(guo)程(cheng)的(de)(de)(de)情况，输出电压纹波(bo)在(zai)(zai)其中起了很(hen)重要的(de)(de)(de)作用。

在阶跃响应的(de)波形图中，我(wo)们(men)可以看(kan)到阶跃负(fu)载导致的(de)连续出(chu)现(xian)(xian)的(de)导通过程(cheng)对(dui)输出(chu)偏(pian)差的(de)纠(jiu)正作用，其表现(xian)(xian)要比电流模式的(de)表现(xian)(xian)好许多，一点拖(tuo)泥带水的(de)情形都(dou)没有。

一种将电流模(mo)式的(de)(de)好处和 COT 模(mo)式的(de)(de)好处结合在一起(qi)的(de)(de)做法是(shi)被(bei)称(cheng)为 CMCOT 的(de)(de)控制(zhi)架构：

在此架(jia)构中，输(shu)出电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)偏(pian)差(cha)经(jing)过误差(cha)放(fang)大器转换为(wei)参考(kao)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya) VEA，这(zhei)(zhei)个信号将(jiang)与取自下(xia)桥的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流信号进行(xing)比较，一旦(dan)发现该电(dian)(dian)(dian)(dian)流低于(yu) VEA，一次固(gu)定时长的(de)上桥导(dao)通(tong)过程就会被触发，这(zhei)(zhei)将(jiang)使得电(dian)(dian)(dian)(dian)感电(dian)(dian)(dian)(dian)流迅速上升以弥补输(shu)出电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)的(de)下(xia)降损失，这(zhei)(zhei)样就既有(you)电(dian)(dian)(dian)(dian)流模(mo)(mo)式(shi)(shi)稳定的(de)特性(xing)，又有(you) COT 模(mo)(mo)式(shi)(shi)快速响应(ying)的(de)特性(xing)，因而导(dao)致了一种介于(yu)电(dian)(dian)(dian)(dian)流模(mo)(mo)式(shi)(shi)和 COT 模(mo)(mo)式(shi)(shi)之间的(de)综合性(xing)效果。

下(xia)图(tu)是稳(wen)态(tai)模(mo)(mo)式下(xia) CM-COT 电(dian)路各点(dian)的(de)工作波形(xing)图(tu)和负(fu)载阶跃(yue)模(mo)(mo)式下(xia) CM-COT 的(de)响应过程图(tu)，我们可以看(kan)到电(dian)感电(dian)流的(de)谷值点(dian)直(zhi)接(jie)触发了上桥的(de)导通(tong)过程。

电流的三大效应

1、热效应

导体通电时会发(fa)热，把这种现象叫做电流热效应。例如：比(bi)较熟悉的(de)焦耳定(ding)律，是定(ding)量说明传导电流将电能转换为热能的(de)定(ding)律。

2、磁效应

电流的(de)磁效应：奥斯特发现，任(ren)何通(tong)有电流的(de)导线，都可(ke)以在其(qi)周(zhou)围产生磁场的(de)现象，称为电流的(de)磁效应。

3、化学效应

电(dian)的(de)化(hua)学效应主要是(shi)电(dian)流中的(de)带电(dian)粒子(zi)（电(dian)子(zi)或离子(zi)）参与而使得物质(zhi)发生了化(hua)学变化(hua)。化(hua)学中的(de)电(dian)解水或电(dian)镀等都是(shi)电(dian)流的(de)化(hua)学效应。

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