開(kāi)關(guān)電源中控制算法分析

改進(jìn)基本控制方法以滿足更高級(jí)的要求

雖然上述控制拓?fù)涠伎梢杂糜诟鞣N不同的系統(tǒng)電源要求，但存在一些實(shí)際應(yīng)用上的限制，所以需要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展更多的解決方案。其中一個(gè)更重要的驅(qū)動(dòng)因素是現(xiàn)在快速發(fā)展的數(shù)字世界，隨著數(shù)字處理控制器在速度、計(jì)算能力和功能上的增長(zhǎng)，對(duì)這些系統(tǒng)的供電電源提出了額外的要求。為了滿足對(duì)不斷增加的低壓大電流電源的需求，通常會(huì)關(guān)閉或禁用一些未使用的功能來(lái)減少內(nèi)部功耗，而在需要時(shí)再開(kāi)啟。這即是常說(shuō)的電源動(dòng)態(tài)負(fù)載要求，電源必須能對(duì)電流大幅度快速變化作出響應(yīng)，同時(shí)保持穩(wěn)壓精度。

通常一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器可輸出高達(dá)20A的負(fù)載電流，但是，除此之外，也常常會(huì)將多個(gè)電源并聯(lián)實(shí)現(xiàn)更大的電流輸出，單個(gè)電源具有小電感量，這樣對(duì)負(fù)載響應(yīng)更為迅速。這推動(dòng)了另一種稱為多相（降壓）轉(zhuǎn)換器控制算法的發(fā)展。在最簡(jiǎn)單的形式中，并聯(lián)多個(gè)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管與主時(shí)鐘同步，但它們之間存在360/n度的相移，其中n是轉(zhuǎn)換器的數(shù)量。例如，為了實(shí)現(xiàn)100A的輸出負(fù)載電流，我們?cè)O(shè)計(jì)成五個(gè)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)具有20A的輸出能力。單單這一步就允許使用更小尺寸的元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在更大的面積上進(jìn)行散熱。

但是，我們同時(shí)也可以設(shè)置時(shí)序，這樣每個(gè)轉(zhuǎn)換器的開(kāi)通之間有360/5度的相位差，現(xiàn)在一個(gè)占空比內(nèi)會(huì)看到五個(gè)電流增量的增加或減少，每個(gè)轉(zhuǎn)換器只需要轉(zhuǎn)換總電流的1/5。上圖中給出了單相與多相的比較，其中“n”是相數(shù)，在本例中為三相。

隨著相數(shù)（n）的增加，多相結(jié)構(gòu)還減少了輸入和輸出電容上的應(yīng)力。由于降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有“斬波”輸入特點(diǎn)（和普通的Buck一樣），在輸入電容中會(huì)看到較高水平的交流有效值電流，但該電流也取決于工作的占空比，當(dāng)占空比為0或100%時(shí)，沒(méi)有交流有效值電流。但在任何其他情況下（其他占空比）就存在，在50%的占空比時(shí)達(dá)到最大值，其值為峰值電流的1/2。在下圖中輸出端電容應(yīng)力也得到了緩解，因?yàn)樗鬟^(guò)電感電流的交流分量，當(dāng)其中一相電流上升時(shí)，所有其他相的電流都下降，這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)消。隨著輸入和輸出電容中峰值電流的降低，EMI噪聲濾波問(wèn)題也大為減小

一種實(shí)用的諧振模式控制算法

有一種特別的開(kāi)關(guān)拓?fù)洌篖LC諧振半橋控制器。我們已經(jīng)知道，通過(guò)增加一定開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通延遲時(shí)間，可以利用諧振來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗。而且長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為如果能將全諧振電路引入開(kāi)關(guān)功率單元的話,可以將方波轉(zhuǎn)換為正弦波（當(dāng)然，這是一種近似轉(zhuǎn)換），從而實(shí)現(xiàn)更高的效率同時(shí)減少噪聲。理論上已經(jīng)提出了許多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但極少數(shù)具有實(shí)用性。作為背景知識(shí)，諧振一般是在方波電壓源和負(fù)載之間引人諧振儲(chǔ)能電路,利用頻率來(lái)改變諧振阻抗，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率的傳遞。最直接了當(dāng)?shù)碾娐沸问绞谴?lián)諧振電路（SRC）和并聯(lián)諧振電路（PRC)，如下圖所示。

但是，這兩種方法都有很大的缺點(diǎn)。盡管串聯(lián)諧振電路具有恒定的諧振點(diǎn)，但是控制算法會(huì)導(dǎo)致頻率隨著負(fù)載的降低而增加，犧牲了大部分希望的效率增益。而并聯(lián)諧振電路的缺陷在于諧振點(diǎn)隨負(fù)載而變化，存在大量的循環(huán)電流，也會(huì)影響效率，為了解決這些問(wèn)題，于是人們將它們結(jié)合到了一起，這樣得到了下圖中的新混合拓?fù)洹?/p>

串聯(lián)諧振腔（Lr和C r ）與并聯(lián)電路（Cr和L m ）的組合，由于每個(gè)諧振單元具有稍微不同的諧振頻率，這樣實(shí)際上是形成了一個(gè)分壓器，通過(guò)頻率的改變來(lái)決定負(fù)載端的功率。這種拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)在于，兩個(gè)電感可以設(shè)計(jì)在同一個(gè)變壓器中，并且在開(kāi)關(guān)頻率變化相對(duì)較小的情況下可以實(shí)現(xiàn)精確的控制?，F(xiàn)實(shí)中典型的應(yīng)用是基于方波發(fā)生器的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下圖所示。開(kāi)關(guān)采用50%的占空比進(jìn)行上下管互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)（留有一定的小死區(qū)時(shí)間），在串聯(lián)電感的作用下，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)。變壓器除了參與諧振作為諧振電感外，同時(shí)提供安全隔離和輸出電壓變換。在等效電路中R L '包括了實(shí)際的負(fù)載、副邊繞組以及輸出整流管的損耗，它們都是通過(guò)變壓器折算到原邊的。

當(dāng)用方波電壓來(lái)激勵(lì)諧振網(wǎng)絡(luò)時(shí)，諧振網(wǎng)絡(luò)會(huì)從電源中汲取很大的正弦電流，負(fù)載功率是輸入頻率的函數(shù)，而第二個(gè)電感Lm的存在使得峰值諧振點(diǎn)也是負(fù)載的函數(shù)。

上圖中左側(cè)所示的方波等效電路可以用右側(cè)的正弦波模型來(lái)近似，VCE為方波VSQ的基波分量。類似地，輸出電壓VOE 是VSO的基波分量，現(xiàn)在可以用單一頻率的正弦電路來(lái)進(jìn)行分析。

可以看到，由于這些變量的存在，在輸入為方波時(shí)，此電路很難進(jìn)行分析。但是由于在諧振時(shí)大部分能量都包含在一次諧波之內(nèi)，所以我們可以近似用正弦信號(hào)的線性模型來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析。這樣就產(chǎn)生了一系列諧振曲線，并得到了電路的傳遞函數(shù)，如下圖所示。

該曲線圖將整個(gè)電路增益繪制成與工作頻率相關(guān)的函數(shù)，曲線簇由輸出負(fù)載定義。橫坐標(biāo)為歸一化工作頻率，縱坐標(biāo)為峰值增益?？刂祁l率范圍由圖中的區(qū)域決定，而此區(qū)域由最大的輸入電壓范圍和輸出負(fù)載的變化聯(lián)合確定。其中輸入和輸出的電壓決定了增益范圍，最小和最大負(fù)載諧振曲線確定了連接曲線的形狀。

這樣近似的結(jié)果就能得到了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單高效的電路，基于頻率調(diào)制算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的精確控制。

開(kāi)關(guān)電源中控制算法-小結(jié)

開(kāi)關(guān)電源中控制算法到這里就結(jié)束了，這里介紹的只是所有控制算法中的一部分。新的控制方案已經(jīng)有很多很多，也許是數(shù)百個(gè)，甚至是數(shù)千個(gè)，它們?cè)谝恍┨囟ǖ那闆r下能提升電源的一些特性，但是絕大多數(shù)只是停留在理論層面。然而，隨著電源的需求復(fù)雜化，電源拓?fù)浜涂刂品桨傅?a href="http://ttokpm.com/article/original/" target="_blank">原創(chuàng)想法仍然是存在的。