開關(guān)電源五種PWM反饋控制模式

　　1 引言

　　PWM開關(guān)穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定。 PWM的開關(guān)頻率一般為恒定，控制取樣信號有：輸出電壓、輸入電壓、輸出電流 、輸出電感電壓、開關(guān)器件峰值電流。由這些信號可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng) ，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的，同時可以實(shí)現(xiàn)一些附帶的過流保護(hù)、抗偏磁、均流等功能?，F(xiàn)在主要有五種PWM反饋控制模式。下面以VDMOS開關(guān)器件構(gòu)成的穩(wěn)壓正激型降壓斬波器為例，說明五種PWM反饋控制模式的發(fā)展過程、基本工作原理、詳細(xì)電路原理示意圖、波形、特點(diǎn)及應(yīng)用要點(diǎn)，以利于選擇應(yīng)用及仿真建模研究。

　　2 開關(guān)電源PWM的五種反饋控制模式

　　一般來講，正激型開關(guān)電源主電路可用圖1所示的降壓斬波器簡化表示,Ug表示控制電路的PWM輸出驅(qū)動信號。根據(jù)選用不同的PWM反饋控制模式，電路中的輸入電壓Uin、輸出電壓Uout、開關(guān)器件電流(由b點(diǎn)引出)、電感電流(由c點(diǎn)引出或d點(diǎn)引出)均可作為取樣控制信號。輸出電壓Uout在作為控制取樣信號時，通常經(jīng)過圖2所示的電路進(jìn)行處理，得到電壓信號Ue，Ue再經(jīng)處理或直接送入PWM 控制器。圖2中電壓運(yùn)算放大器(e/a)的作用有三：①將輸出電壓與給定電壓Uref的差值進(jìn)行放大及反饋，保證穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)壓精度。該運(yùn)放的直流放大增益理論上為無窮大，實(shí)際上為運(yùn)放的開環(huán)放大增益。②將開關(guān)電源主電路輸出端的附帶有較寬頻帶開關(guān)噪聲成分的直流電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǚ档谋容^“干凈”的直流反饋控制信號(Ue)即保留直流低頻成分 ，衰減交流高頻成分。因?yàn)殚_關(guān)噪聲的頻率較高，幅值較大，高頻開關(guān)噪聲衰減不夠的話，穩(wěn)態(tài)反饋不穩(wěn);高頻開關(guān)噪聲衰減過大的話，動態(tài)響應(yīng)較慢。雖然互相矛盾，但是對電壓誤差運(yùn)算放大器的基本設(shè)計原則仍是“低頻增益要高，高頻增益要低”。③對整個閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行校正，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

　　輸入電壓、電流等信號在作為取樣控制信號時，大多也需經(jīng)過處理。由于處理方式不同，下面介紹不同控制模式時再分別說明。

　　2.1 電壓模式控制PWM (Voltage-mode Control PWM)

　　圖3(a)為BUCK降壓斬波器的電壓模式控制PWM反饋系統(tǒng)原理圖。電壓模式控制PWM是60年代后期開關(guān)穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展而采用的第一種控制方法。該方法與一些必要的過電流保護(hù)電路相結(jié)合，至今仍然在工業(yè)界很好地被廣泛應(yīng)用。電壓模式控制只有一個電壓反饋閉環(huán)，采用脈沖寬度調(diào)制法，即將電壓誤差放大器采樣放大的慢變化的直流信號與恒定頻率的三角波上斜坡相比較，通過脈沖寬度調(diào)制原理，得到當(dāng)時的脈沖寬度，見圖3(a)中波形所示。逐個脈沖的限流保護(hù)電路必須另外附加。當(dāng)輸入電壓突然變小或負(fù)載阻抗突然變小時，因?yàn)橹麟娐酚休^大的輸出電容C及電感L相移延時作用，輸出電壓的變小也延時滯后，輸出電壓變小的信息還要經(jīng)過電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路延時滯后，才能傳至PWM比較器將脈寬展寬。這兩個延時滯后作用是暫態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。

　　電壓模式控制的優(yōu)點(diǎn)：①PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時具有較好的抗噪聲裕量;②占空比調(diào)節(jié)不受限制;③對于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好 ;④單一反饋電壓閉環(huán)設(shè)計、調(diào)試比較容易;⑤對輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：①對輸入電壓的變化動態(tài)響應(yīng)較慢;②補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計本來就較為復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化使其更為復(fù)雜;③輸出LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點(diǎn)，在補(bǔ)償設(shè)計誤差放大器時，需要將主極點(diǎn)低頻衰減，或者增加一個零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償;④在傳感及控制磁芯飽和故障狀態(tài)方面較為麻煩復(fù)雜。

　　改善加快電壓模式控制瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法有二種：一是增加電壓誤差放大器的帶寬，保證具有一定的高頻增益。但是這樣容易受高頻開關(guān)噪聲干擾影響，需要在主電路及反饋控制電路上采取措施進(jìn)行抑制或同相位衰減平滑處理;另一方法是采用電壓前饋模式控制PWM技術(shù)，原理如圖3(b)所示。用輸入電壓對電阻電容(RFF、CFF)充電產(chǎn)生的具有可變化上斜坡的三角波取代傳統(tǒng)電壓模式控制PWM中振蕩器產(chǎn)生的固定三角波。此時輸入電壓變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來，因此該方法對輸入電壓的變化引起的瞬態(tài)響應(yīng)速度明顯提高。對輸入電壓的前饋控制是開環(huán)控制，而對輸出電壓的控制是閉環(huán)控制，目的是增加對輸入電壓變化的動態(tài)響應(yīng)速度。這是一個有開環(huán)和閉環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制系統(tǒng)。

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