2. 电力电子基础
峰值电流模式控制并不是孤立存在的控制算法，它建立在开关变换器最基本的能量传递规律之上。要理解峰值电流环为什么能改善动态响应、为什么需要斜坡补偿、为什么不同拓扑的采样波形不同，必须先回到三个基础量：拓扑结构、占空比 D 和 电感电流 iL。本节从这三个量出发，推导输出电压与输入电压的关系，为后续峰值电流环建模打基础。
一、三种基本非隔离拓扑与能量传递路径
开关变换器的核心是“用电感储能、用开关控制能量流”。按电感与负载的连接方式，最基本的三种拓扑是 Buck（降压）、Boost（升压）和 Buck-Boost（升降压）。它们的共同点是：开关管周期性导通与关断，电感在导通期与关断期分别经历充能与释能，电容负责平滑输出电压。
- Buck 降压：电感串联在输入与输出之间，开关导通时电感接输入、电流上升；开关关断时电感经续流二极管（或同步整流管）向负载释放能量。输出电压始终低于输入电压。
- Boost 升压：电感串联在输入侧，开关导通时电感直接接输入、电流上升并储能；开关关断时电感与输入叠加，经二极管向输出电容和负载供电。输出电压始终高于输入电压。
- Buck-Boost 升降压：电感在开关导通时接输入储能，关断时向输出释放能量，输出极性与输入相反，电压可高于或低于输入。
这三种拓扑在峰值电流模式下的关键差异在于：电感电流的采样位置和斜率不同。Buck 的电感电流就是输出侧电流，连续且可直接采样；Boost 和 Buck-Boost 的输入电流才是电感电流，输出侧电流是断续的二极管电流。这直接决定了电流采样网络的设计方式。
二、伏秒平衡与占空比：输出电压与输入电压关系的来源
在连续导通模式（CCM）下，电感电流在一个开关周期内必须回到起点，否则电流会逐周期累积或衰减，无法稳态。这一约束称为伏秒平衡：电感电压在一个周期内的积分等于零。
伏秒平衡：∫0Ts vL(t) dt = 0
以 Buck 为例，开关导通期电感电压为 Vin − Vout，持续 D·Ts；关断期电感电压为 −Vout，持续 (1−D)·Ts。令两者之和为零：
(Vin - Vout) * D * Ts + (-Vout) * (1 - D) * Ts = 0
=> Vin * D = Vout
=> Vout / Vin = D (Buck)
Boost: Vout / Vin = 1 / (1 - D)
Buck-Boost: Vout / Vin = -D / (1 - D)这三个关系式说明：占空比 D 是控制输出电压的唯一手段。峰值电流模式控制正是通过控制每个周期的峰值电流，间接决定 D 的大小，从而稳定输出电压。理解这一点，才能理解为什么电流环的带宽通常远高于电压环。
三、电感电流纹波与峰值电流的物理意义
电感电流不是一条直线，而是围绕平均值 Iavg 上下波动的三角波。纹波峰峰值 ΔIL 由电感和开关频率决定：
Buck: ΔIL = (Vin - Vout) * D / (L * fs)
= Vout * (1 - D) / (L * fs)
峰值电流: Ipeak = Iavg + ΔIL / 2
谷值电流: Ivalley = Iavg - ΔIL / 2峰值电流模式控制直接比较 Ipeak 与误差放大器输出，因此 ΔIL 的大小直接影响控制精度和抗噪能力。ΔIL 太小，电流采样信号弱，易受开关噪声干扰；ΔIL 太大，峰值与平均值偏差大，输出电流精度下降，且需要更大的斜坡补偿。工程上通常取 ΔIL 为额定输出电流的 20%～40%。
| 拓扑 | Vout/Vin 关系 | 电感电流采样位置 | 典型 D 范围 | 峰值电流模式注意点 |
|---|---|---|---|---|
| Buck | D | 输出侧电感电流，连续 | 0.1～0.9 | 采样信号干净，斜坡补偿需求较小 |
| Boost | 1/(1−D) | 输入侧电感电流，连续 | 0.2～0.85 | 右半平面零点，环路带宽受限 |
| Buck-Boost | −D/(1−D) | 输入侧电感电流，连续 | 0.2～0.8 | 输出极性反，采样与驱动需隔离 |
四、案例：12V 输入、5V/3A Buck 的关键参数估算
设 Vin=12V，Vout=5V，Iout=3A，fs=300kHz，L=10μH。先算占空比：D = Vout/Vin = 5/12 ≈ 0.417。再算纹波：
ΔIL = Vout * (1 - D) / (L * fs)
= 5 * (1 - 0.417) / (10e-6 * 300e3)
= 5 * 0.583 / 3
≈ 0.97 A
Ipeak = 3 + 0.97/2 ≈ 3.49 A
Ivalley = 3 - 0.97/2 ≈ 2.52 A可以看到，峰值电流比平均电流高约 16%。如果电流采样比较器直接以 Ipeak 为阈值，而电压环希望控制的是平均值，那么两者之间存在固定偏差。这正是峰值电流模式需要斜坡补偿和电流环误差校正的原因之一。
实用提示：在峰值电流模式设计中，先根据 Vout/Vin 关系确定 D 的工作范围，再根据 ΔIL 选择电感，最后根据 Ipeak 选择开关管和采样电阻。顺序不能颠倒，否则容易出现采样信号过弱或开关管过流余量不足。
五、常见误区与复盘
- 误区一：把 D 当作固定值。D 随输入电压和负载变化，峰值电流模式正是通过实时调节 D 来稳压。设计时必须按 Vin 范围计算 Dmin 和 Dmax。
- 误区二：忽略 CCM 与 DCM 的区别。上述 Vout/Vin 关系仅在 CCM 成立。轻载进入 DCM 后，D 与负载有关，峰值电流环的模型也随之改变。
- 误区三：认为电感电流等于输出电流。只有 Buck 在 CCM 下才近似成立；Boost 和 Buck-Boost 的输出电流是二极管电流，与电感电流波形不同。
- 误区四：纹波越小越好。纹波过小会导致电流采样信噪比下降，峰值电流模式反而更容易误触发。需要与斜坡补偿、采样网络协同设计。