电流的本质及电流信号在控制回路中的作用-KIA MOS管

电流的本质

电流的本质就是带有非零净电荷的粒子的定向运动。这里的「带有非零静电荷的粒子J既可以是电子也可以是其他带电粒子(比如离子甚至空穴等等) ; 强调[定向运动]则是为了将其区分于带电粒子的热运动等不形成电流的运动方式。

禁带( forbidden band ; forbidden gap ; band gap )指的是价带( valence band )和导带( conduction band )之间的能量区域，禁带中并不存在电子可占据的能级(这也是它被称为禁带的原因)。

基尔霍夫电流定律( Kirchhoff' s current law )的成立是有条件的。并不是在导体中[任意时刻]任意节点都不会发生电荷堆积。比如从电路接通到电流稳定这段时间内基尔霍夫电流定律就不成立。

又比如属于导体的电容器在充电过程就会发生电荷堆积。对于基尔霍夫电流定律,我们可以将其中所说的任意节点推广为任意不包含电源的闭合曲面。

在基尔霍夫电流定律成立的情况下,流入(或流出)任意不包含电源的闭合曲面的净电荷为零。如果我们任意选择电线的-一个横截面(即非闭合曲面) , 那么在规定截面方向后流入(或流出)该横截面的净电荷并不等于零,这是很显然的。

最后，上面所说的流入(或流出)任意不包含电源的闭合曲面的净电荷为零这句话是在统计意义上成立的,在某个特定时刻对于任何一个特定闭合曲面我们并不能绝对地保证流入(或流出)的净电荷严格为零。

电流信号在控制回路中的作用

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

这是电流模式控制系统的示意图，输出电压的取样信号首先被用来与参考电压进行比较，两者之间的差异被放大转换为电流信号在 RC 电路里进行累积，由此得到的补偿电压 VEA 成为电流比较器的参考输入。

电流比较器的另一个输入是来自上桥开关的电流信号，这个电流信号会因每个时钟周期开始时被置位的 SR 触发器的输出使上桥开关导通而开始增加，当它增加到超过 VEA 时，SR 触发器便被复位，于是上桥截止、下桥导通，电感电流开始下降，电路进入等待状态，直到下一个周期开始再重复上述过程。

如果输出电压的反馈信号与参考电压相比太低了，误差放大器的输出信号便会比较大，VEA 便会被推到一个比较高的地方，这样就给上桥导通期间的电流增长留下了比较多的空间，这也意味着上桥导通的时长会比较长，而由时钟信号周期所确定的总时长是确定的，留给下桥导通的时长就会缩短，电感电流在下桥导通期间的降低就会比较少，这样就得到了占空比提升、电感电流均值提升的效果。

如果输出电压的反馈信号比参考电压高了，则上述的推理过程就会反过来，最后我们得到的结论就是输出电压被稳定在我们希望的水平上的结果。

上图展示的是电流模式控制回路在稳定情况下和负载出现阶跃上升情形下的各点波形图，从中可以看到误差放大器的输出 VEA 对输出电流峰值的限制效果。

负载阶跃会造成输出电压偏离稳态值的结果，这个偏离会因为输出电容的储能而出现滞后。

输出电压偏离稳态值的结果还会通过累积以后才成为 VEA，因而由负载的阶跃所带来的输出电压的变化要经过一段时间的延迟以后才会反映在电感电流的变化上，这带来了稳定的结果，同时也导致了响应的滞后，我们在得到好处的同时也在承受一定的不足。

在 COT 控制架构中，负载电流的增加直接导致输出电压纹波的增加，因为这种电流在流经输出电容的 ESR 时直接就转换为电压信号了，而一旦输出电压反馈信号低于参考电压，新的一次上桥导通过程立即就会发生，电感电流立即开始增加以弥补输出电压的损失，所以 COT 控制架构具有瞬态响应速度快的特性。

每次固定时长的导通过程结束以后，经过一个最小化的截止时段，如果电压反馈信号仍然低于参考电压，新的一次导通过程就会发生，这个过程会一直进行到电压反馈信号高于参考电压为止。

输出电压的升高是由输出电容的储能和流经输出电容 ESR 的电流纹波造成的，如果输出电容的 ESR 变小了，反馈得到的输出电压纹波信号就会变小，不恰当的导通过程就容易发生，这就出现了不稳定的问题，而偏偏现在大量用作输出电容的陶瓷电容就有这个特性，所以 COT 架构在遇到陶瓷电容以后就出现了问题。

为了解决这个问题，一个改进型的 ACOT 控制架构，它在 COT 控制架构中插入了一个电感电流模拟装置，让它的输出与反馈信号结合为一体供比较器使用，相当于间接提升了 ESR 反应的电流信号的幅度，取得了改善 COT 稳定性的效果。

图中的 PSR 便是电感电流信号模拟装置，它的输出与反馈信号 VFB 结合为一体成为比较器的输入。PSR 不是一个实际的电流检测电路，但是具有电流检测的效果，这也可以看作是一个创新性的举措。

图中所示的另外一个创新是标注为 Frequency Locked Loop 的设计，它的作用是测量实际的工作频率，然后与预设的工作频率进行比较，借此调节单脉冲发生器的脉冲时长，这个时长也就是上桥的每一次导通的时间长度，最后使整个电路的工作频率基本保持不变，而原有的 COT 控制架构是无法做到这一点的，它会随着工作条件的变化而变化。

这幅图显示的是采用 ACOT? 控制架构的 Buck 器件在稳态时的工作波形和它在遇到负载阶跃时的响应过程。在稳态波形中，我们可以看到反馈信号触及参考电压时触发导通过程的情况，输出电压纹波在其中起了很重要的作用。

在阶跃响应的波形图中，我们可以看到阶跃负载导致的连续出现的导通过程对输出偏差的纠正作用，其表现要比电流模式的表现好许多，一点拖泥带水的情形都没有。

一种将电流模式的好处和 COT 模式的好处结合在一起的做法是被称为 CMCOT 的控制架构：

在此架构中，输出电压的偏差经过误差放大器转换为参考电压 VEA，这个信号将与取自下桥的电流信号进行比较，一旦发现该电流低于 VEA，一次固定时长的上桥导通过程就会被触发，这将使得电感电流迅速上升以弥补输出电压的下降损失，这样就既有电流模式稳定的特性，又有 COT 模式快速响应的特性，因而导致了一种介于电流模式和 COT 模式之间的综合性效果。

下图是稳态模式下 CM-COT 电路各点的工作波形图和负载阶跃模式下 CM-COT 的响应过程图，我们可以看到电感电流的谷值点直接触发了上桥的导通过程。

电流的三大效应

1、热效应

导体通电时会发热，把这种现象叫做电流热效应。例如：比较熟悉的焦耳定律，是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。

2、磁效应

电流的磁效应：奥斯特发现，任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应。

3、化学效应

电的化学效应主要是电流中的带电粒子（电子或离子）参与而使得物质发生了化学变化。化学中的电解水或电镀等都是电流的化学效应。

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