開關(guān)電源中控制算法（一）

這里使用“控制”一詞用以描述電源構(gòu)架中所包含的智能，它定義了電源面對(duì)干擾時(shí)保持輸出恒定所采取的措施。換句話說，也就是電壓調(diào)節(jié)的功能是如何具體實(shí)現(xiàn)的。

不可否認(rèn)，在電源中還有許多其他功能也需要智能控制，如啟動(dòng)要求、過載保護(hù)、對(duì)外部指令的響應(yīng)等，首先我們要了解的是電壓調(diào)節(jié)。接下來會(huì)介紹隨著時(shí)間推移而發(fā)展起來被廣泛使用的各種控制算法，并比較它們的優(yōu)點(diǎn)和局限性。但是，請(qǐng)記住，與電源大多數(shù)其他特性一樣，對(duì)于任何給定的功能要求，沒有一種單一的最佳方法。

本章內(nèi)容：

• 滯環(huán)控制
• 恒定導(dǎo)通時(shí)間控制
• 恒定關(guān)斷時(shí)間控制
• 電壓模式控制

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滯環(huán)控制

滯環(huán)控制是一種古老的控制方式，已經(jīng)存在了很長一段時(shí)間，并且在某些應(yīng)用中仍然很有用，它是最簡單的，因此也是成本最低的控制方案。下圖顯示了一個(gè)基于滯環(huán)控制的電源拓?fù)錁?gòu)架和主要節(jié)點(diǎn)的工作波形。

滯環(huán)控制的核心只是利用一個(gè)電壓比較器，它將穩(wěn)壓器輸出的檢測(cè)結(jié)果與內(nèi)部基準(zhǔn)進(jìn)行比較，如果輸出電壓太低，則打開電源開關(guān)管，如果太高則關(guān)閉電源開關(guān)管。該電路本質(zhì)上是一個(gè)振蕩器，其中比較器中的遲滯范圍定義了開關(guān)管合適的高低閾值。輸出電壓的三角波紋波電壓疊加于平均直流輸出之上，因而該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還有一個(gè)名稱為“紋波調(diào)節(jié)器”。另一種描述稱之為“hang bang"控制器，因?yàn)樗趦蓚€(gè)閾值之間振蕩，在這些限值之間控制器不起作用。

這種控制方案的好處是：

• 首要的——簡單和成本低廉便宜（至少在理論上是這樣）；
• 由于電路本身（本質(zhì)上）是穩(wěn)定的，因此不需要反饋回路，也不需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；
• 開關(guān)管可以很容易實(shí)現(xiàn)開通和關(guān)斷，所以只要將輸出電壓的跌落或過沖恢復(fù)到誤差范圍內(nèi)，電路可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載瞬變的快速響應(yīng)。

但是，也有很多限制，包括：

• 開關(guān)頻率隨輸入和負(fù)載變化而變化。雖然有一些方法可以最大限度地減少這種變化，但它們?cè)黾恿藦?fù)雜性，同時(shí)仍然有局限。從另外的角度上來說，不太容易采用外部時(shí)鐘信號(hào)對(duì)其進(jìn)行同步控制；
• 輸出需要一定的電壓紋波，如果減小紋波幅度則會(huì)導(dǎo)致閾值精度設(shè)定變得困難。同時(shí)輸出紋波通常由電容的ESR提供，這限制了陶瓷電容的使用;
• 比較器的轉(zhuǎn)換對(duì)輸出端的噪聲敏感；
• 在較高頻率中，開關(guān)的內(nèi)在延遲會(huì)增加輸出電壓紋波；
• 為了防止磁飽和和電流過載需要增加額外的電路。

即使有這些限制，由于其對(duì)負(fù)載瞬變有著最快的響應(yīng)速度，大家仍然對(duì)滯環(huán)控制產(chǎn)生濃厚的興趣，并且人們已經(jīng)想出很多方法來應(yīng)對(duì)其局限性。下面所說的恒定導(dǎo)通時(shí)間控制即是其中之一。

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恒定導(dǎo)通時(shí)間控制

這是另一種變頻控制方案，如內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路所定義的，它只有關(guān)斷時(shí)間是可變的，而導(dǎo)通時(shí)間保持恒定。調(diào)節(jié)仍然是通過一個(gè)比較器來觀察輸出紋波電壓，但它僅檢測(cè)最小閾值來控制開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間用以啟動(dòng)下一個(gè)脈沖周期。恒定導(dǎo)通時(shí)間可以優(yōu)化開關(guān)管柵極驅(qū)動(dòng)，特別是電壓需要一個(gè)低占空比時(shí)尤其有好處。只需要一個(gè)定時(shí)電路來設(shè)置最小關(guān)斷時(shí)間限值即可以防止因多個(gè)脈沖引起的電感飽和，所以它還可以提高輸出電感利用率。其典型的框圖如下圖所示。

恒定導(dǎo)通時(shí)間算法有以下好處：

• 這仍然是一個(gè)閾值驅(qū)動(dòng)電路，天然穩(wěn)定，無須回路補(bǔ)償；
• 只需要很少量的外部元件；
• 對(duì)負(fù)載突變能快速響應(yīng)；
• 輕載時(shí)，允許延長關(guān)斷時(shí)間以維持高效率；
• 增加輸入電壓前饋以改變單次定時(shí)時(shí)間可以幫助穩(wěn)定開關(guān)頻率。

但是仍然有局限性：

• 頻率不是恒定的，同樣，與外部時(shí)鐘同步是很困難的；
• 仍需要一些輸出電壓紋波，通常由電容ESR提供，所以也限制了陶瓷電容的使用；
• 一樣對(duì)輸出端噪聲敏感；
• 需要單獨(dú)的功能來實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。

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恒定關(guān)斷時(shí)間控制

既然能對(duì)SMPS進(jìn)行恒定導(dǎo)通時(shí)間控制，相反地，同樣可以用一個(gè)恒定關(guān)斷時(shí)間，可變導(dǎo)通時(shí)間（仍然是變頻）的算法來達(dá)到相同的目的。但是這個(gè)控制算法存在許多嚴(yán)重的問題。最大的問題是，在輕載情況下，開關(guān)頻率不得不增加，功率脈沖寬度必須減小，這兩者都會(huì)造成嚴(yán)重的性能損失。所以有了這些限制，它并沒有其他明顯的優(yōu)勢(shì)，故實(shí)際上也很少采用，這里就不再繼續(xù)介紹這種控制算法。

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電壓模式控制

在最開始，這種控制方式?jīng)]有名字，它是開關(guān)電源的最早控制形式，那時(shí)候沒有什么其他控制方式可以對(duì)比，所以也沒有必要命名。但隨著電流模式控制的引入，電壓模式成為該架構(gòu)的默認(rèn)名稱，它現(xiàn)在仍是參照標(biāo)準(zhǔn)和最廣泛使用的控制方案。這也是PWM開關(guān)穩(wěn)壓器基本推導(dǎo)的控制算法。其控制框圖和工作情況如下圖所示。

首先要注意的是，它包含一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘以產(chǎn)生固定頻率，但也可以同步外部時(shí)鐘。通過以一定間隔時(shí)間設(shè)定鎖存器來打開開關(guān)管，這樣可以得到恒定的開關(guān)頻率。這個(gè)定時(shí)振蕩器還提供了一個(gè)斜坡電壓，這是通過對(duì)電容的充電和放電實(shí)現(xiàn)的，它用來作為PWM比較器的參考波形。誤差放大器將穩(wěn)壓器的輸出檢測(cè)電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)模擬誤差信號(hào)，這個(gè)誤差信號(hào)作為PWM比較器的輸入，并進(jìn)一步將其與斜坡電壓進(jìn)行比較，當(dāng)斜坡電壓超過模擬誤差信號(hào)時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷。在一定的限值范圍內(nèi)，這是一個(gè)線性模擬控制系統(tǒng)，可以用傳統(tǒng)的反饋控制理論來分析穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和響應(yīng)特性。

電壓模式控制的優(yōu)點(diǎn)包括：

• 歷史悠久，自1975年面市以來，有大量集成電路控制器可供選擇；
• 固定頻率工作；
• 通過一個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)精確控制;
• 所有模擬信號(hào)都遠(yuǎn)離功率開關(guān)管，因此具有很好的抗噪聲能力；
• 能夠提供一個(gè)低阻抗的電壓源輸出。

事物都有兩面性，電壓模式控制也有一些局限性：

• 響應(yīng)時(shí)間受限于輸出濾波器中的雙極點(diǎn)，并需要將控制帶寬限制在遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率處；
• 輸出電容的參數(shù)會(huì)影響補(bǔ)償；
• 負(fù)載變化，系統(tǒng)從CCM變換到DCM時(shí)也會(huì)影響穩(wěn)定性；
• 環(huán)路增益隨VIN變化，但可通過使用電壓前饋使斜坡斜率與VIN成比例，并因此簡化環(huán)路補(bǔ)償計(jì)算。