开关电源控制模式的探讨

开关电源控制模式的探讨

吴佳佳马飞

（深圳振华微电子有限公司广东深圳518126）

摘要：开关电源作为一种能够稳定持续输出电压的电源，其主要是由控制开关晶体管控制开通和关断时间的，所以在开关电源中最重要和最核心部分就是控制电路。文章重点就开关电源控制模式进行研究分析，以供参考和借鉴。

关键词：开关电源；控制模式；反馈控制；研究

引言

开关电源是伴随着电力电子技术的进步而发展起来的，由于具有高效节能、轻巧便捷等特点，开关电源得到了越来越广泛的应用。开关电源的效率可达到85％以上，与普通的线性电源相比其效率提高了近一倍，且其可靠性也较高，采用了体积较小的散热器和滤波元件，具有良好的发展前途。可将开关电源分为AC/AC和DC/DC电源等类型，其中DC/DC电源变换器已实现了模块化的设计和发展，得到了广大用户的普遍认可。

1开关电源发展概述

开关电源的发展已经经历了40多年，早期开发的开关频率非常低，且价格较高，只能应用于卫星等少数要求电源质量较高的领域。但自20世纪60年代晶闸管相位控制模式出现后开关电源经历了较快的发展，70年代时制约开关电源发展的瓶颈主要是效率问题，同时由于调试工作困难而难以大规模的推广应用。70年代后期，随着大规模集成电路技术的出现，各种专用的开关电源芯片进入市场，将控制电路、驱动电路、保护电路和检测电路封装在一起的模式非常有利于开关电源的发展，由于焊点减小提高了开关电源的可靠性，同时也由于集成化的发展是开关电源的体积减小，为应用带来了极大的便利。如今集成化的电源已被应用于计算机、航天、彩色电视等各个领域，且随着微电子技术、半导体技术的进一步发展，功能更强大，集成度更高的超大规模集成电路的出现，电子设备的体积和重量仍在不断减小，但与之相匹配的电源体积却大的多，在现代化的电子产品中，电源的体积要比微处理器大10倍以上，所以如何缩小电源的体积就是一项非常具有意义的研究课题。相关的理论分析表明，电源体积与其供电频率的平方根是呈反比例的，当电源频率从50Hz提高至20kHz后其体积将缩小400倍，但频率的提高也会对整个电路的元器件带来新的要求，目前超高频电源对电子器件的影响正在进一步研究之中。

2开关电源的数字控制技术

近年来，随着数字信号处理器及编程逻辑器等技术的快速发展，数字控制技术在诸多电力电子领域取得了广泛的应用，这些控制领域的计算和监控任务是非常复杂的，难以用模拟控制的方法完成较好的控制性能，所以产生了数字控制的要求。随着DSP等电子器件的小型化及高速化发展，开关电源的控制也正朝着数字化的方向发展，数字化增强了开关电源控制部分的智能化水平，为实现动态远距离监测奠定了基础。在开关电源的市场中，标准电源的份额正在逐步扩大，同时由于电源的使用是因系统不同而不同的，所以其对某种特制电源的需求是非常强烈的，数字化控制电源汇集了标准电源和特征电源优点。通过数字化控制能够提高系统的灵活性，提高通信界面及抗干扰的能力，但在要求较高的开关电源中，控制精度、控制延迟及电流检测等因素是急需要解决的问题，在保护与监控电路、及系统的通信等方面都已实现了数字化，同时数字化也可以取代模拟电路来完成电源的启动动能，通过特定的界面实现系统的通讯与显示功能。随着越来越多的数字控制技术应用于电源的管理，开关电源的数字化技术必将得到广泛的应用，数字化控制技术是开关电源控制模式的发展方向，业界十分看好开关电源数字化发展前景。

3开关电源反馈控制模式研究

3.1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。

3.2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的优点如下：第一，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；第二，控制环易于设计；第三，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。

3.3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。平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号；不需要斜坡补偿；调试好的电路抗噪声性能优越；适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制；易于实现均流。

3.4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是不需要斜坡补偿；稳定性好，不容易因噪声发生不稳定振荡。缺点是需要对电感电流全周期的检测和控制；变频控制容易产生变频噪声。

3.5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，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。

结束语

综上所述，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、内部参数变化和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、输出电感电压和开关器件峰值电流，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、抗偏磁和均流等功能。

参考文献：

[1]汪志成.反激式开关电源分析与Pspice建模仿真[D].东南大学，2018.

[2]龙江，钟俊杰，孔昊.一种峰值电流模式控制的宇航开关电源[J].电源世界，2018(06):13-17+35.