开关电源的反馈控制模式研究
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[摘要] 本文比较详细地说明了电压模式、峰值电流模式、平均电流模式、滞环电流模式、相加模式等PWM反馈控制模式的基本工作原理、发展过程、关键波形、性能特点及应用要点。
[关键词] 开关电源 反馈控制 模式控制
1.引言
PWM开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。
2.开关电源PWM的五种反馈控制模式
一般来讲，根据选用不同的PWM反馈控制模式，电路中的输入电压、输出电压、开关器件电流、电感电流均可作为取样控制信号。输出电压在作为控制取样信号时，通常经过处理，得到电压信号，再经处理或直接送入PWM 控制器。电压运算放大器的作用有三：①将输出电压与给定电压的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度。该运放的直流放大增益理论上为无穷大，实际上为运放的开环放大增益。②将开关电源主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较“干净”的直流反馈控制信号即保留直流低频成分，衰减交流高频成分。③对整个闭环系统进行校正，使得闭环系统稳定工作。
2.1 电压模式控制PWM
电压模式控制PWM是60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界很好地被广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容及电感相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。
电压模式控制的优点：①PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；②占空比调节不受限制；③对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好 ；④单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；⑤对输出负载的变化有较好的响应调节。缺点：①对输入电压的变化动态响应较慢；②补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂；③输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿；④在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂。
2.2 峰值电流模式控制PWM
峰值电流模式控制简称电流模式控制。它的概念在60年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在70年代后期才从学术上作深入地建模研究。直至80年代初期，第一批电流模式控制PWM集成电路的出现使得电流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。近年来，由于占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。
峰值电流模式控制PWM的优点:①暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；②控制环易于设计；③输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美；④简单自动的磁通平衡功能；⑤瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能；⑥自动均流并联功能。缺点：①占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；②闭环响应不如平均电流模式控制理想；③容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50%，也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿；④对噪声敏感，抗噪声性差。⑤电路拓扑受限制；⑥对多路输出电源的交互调节性能不好。
2.3 平均电流模式控制PWM
平均电流模式控制概念产生于70年代后期。平均电流模式控制 PWM集成电路出现在90年代初期，成熟应用于90年代后期的高速CPU专用的具有高di/dt动态响应供电能力的低电压大电流开关电源。将误差电压接至电流误差信号放大器的同相端，作为输出电感电流的控制编程电压信号。带有锯齿纹波状分量的输出电感电流信号接至电流误差信号放大器的反相端，代表跟踪电流编程信号的实际电感平均电流，与的差值经过电流放大器放大后，得到平均电流跟踪误差信号。再由及三角锯齿波信号通过比较器比较得到PWM关断时刻。
平均电流模式控制的优点是：①平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号；②不需要斜坡补偿；③调试好的电路抗噪声性能优越；④适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制；⑤易于实现均流。缺点是：①电流放大器在开关频率处的增益有最大限制；②双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。
2.4 滞环电流模式控制PWM
滞环电流模式控制PWM为变频调制，也可以为定频调制。将电感电流信号与两个电压值比较，第一个较高的控制电压值由输出电压与基准电压的差值放大得到，它控制开关器件的关断时刻；第二个较低电压值由控制电压减去一个固定电压值得到，控制开关器件的开启时刻。滞环电流模式控制是由输出电压值、控制电压值及三个电压值确定一个稳定状态，比电流模式控制多一个控制电压值，去除了发生次谐波振荡的可能性。
滞环电流控制模式的优点：①不需要斜坡补偿；②稳定性好，不容易因噪声发生不稳定振荡。缺点：①需要对电感电流全周期的检测和控制；②变频控制容易产生变频噪声。
2.5 相加模式控制PWM
相加模式控制PWM与电压模式控制有些相似，但有两点不同：一是放大器是比例放大器，没有电抗性补偿元件。控制电路中电容较小，起滤除高频开关杂波作用；二是经过滤波后的电感电流信号也与电压误差信号相加在一起构成一个总和信号与三角锯齿波比较，得到PWM控制脉冲宽度。相加模式控制PWM 是单环控制，但它有输出电压、输出电流两个输入参数。如果输出电压或输出电流变化，那么占空比将按照补偿它们变化的方向而变化。
相加控制模式的优点是：动态响应快（比普通电压模式控制快3～5倍），动态过冲电压小，输出滤波电容需要较少。相加模式控制中的Ui注入信号容易用于电源并联时的均流控制。缺点是：需要精心处理电流、电压取样时的高频噪声抑制。
3.结论
1)不同的PWM反馈控制模式具有各自不同的优缺点，在设计开关电源选用时要根据具体情况选择合适的PWM的控制模式。
2)各种控制模式PWM反馈方法的选择一定要结合考虑具体的开关电源的输入输出电压要求、主电路拓扑及器件选择、输出电压的高频噪声大小、占空比变化范围等。
3) PWM控制模式是发展变化的,是互相联系的，在一定的条件下是可以互相转化的。
参考文献：
[1]何希才.新型开关电源的设计与应用[M]北京：科学出版社.2001.
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