開(kāi)關(guān)電源五種PWM反饋控制模式

　　1 引言

　　PWM開(kāi)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(guò)被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號(hào)穩(wěn)定。 PWM的開(kāi)關(guān)頻率一般為恒定，控制取樣信號(hào)有：輸出電壓、輸入電壓、輸出電流 、輸出電感電壓、開(kāi)關(guān)器件峰值電流。由這些信號(hào)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)一些附帶的過(guò)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(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的穩(wěn)壓正激型降壓斬波器為例，說(shuō)明五種PWM反饋控制模式的發(fā)展過(guò)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(kāi)關(guān)電源PWM的五種反饋控制模式

　　一般來(lái)講，正激型開(kāi)關(guān)電源主電路可用圖1所示的降壓斬波器簡(jiǎn)化表示,Ug表示控制電路的PWM輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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(kāi)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(hào)。輸出電壓Uout在作為控制取樣信號(hào)時(shí)，通常經(jīng)過(guò)圖2所示的電路進(jìn)行處理，得到電壓信號(hào)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(shí)的穩(wěn)壓精度。該運(yùn)放的直流放大增益理論上為無(wú)窮大，實(shí)際上為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大增益。②將開(kāi)關(guān)電源主電路輸出端的附帶有較寬頻帶開(kāi)關(guān)噪聲成分的直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǚ档谋容^“干凈”的直流反饋控制信號(hào)(Ue)即保留直流低頻成分 ，衰減交流高頻成分。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)噪聲的頻率較高，幅值較大，高頻開(kāi)關(guān)噪聲衰減不夠的話，穩(wěn)態(tài)反饋不穩(wěn);高頻開(kāi)關(guān)噪聲衰減過(guò)大的話，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。雖然互相矛盾，但是對(duì)電壓誤差運(yùn)算放大器的基本設(shè)計(jì)原則仍是“低頻增益要高，高頻增益要低”。③對(duì)整個(gè)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(hào)在作為取樣控制信號(hào)時(shí)，大多也需經(jīng)過(guò)處理。由于處理方式不同，下面介紹不同控制模式時(shí)再分別說(shuō)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源剛剛開(kāi)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(guò)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(gè)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(hào)與恒定頻率的三角波上斜坡相比較，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制原理，得到當(dāng)時(shí)的脈沖寬度，見(jiàn)圖3(a)中波形所示。逐個(gè)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(shí)，因?yàn)橹麟娐酚休^大的輸出電容C及電感L相移延時(shí)作用，輸出電壓的變小也延時(shí)滯后，輸出電壓變小的信息還要經(jīng)過(guò)電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路延時(shí)滯后，才能傳至PWM比較器將脈寬展寬。這兩個(gè)延時(shí)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(shí)具有較好的抗噪聲裕量;②占空比調(diào)節(jié)不受限制;③對(duì)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(jì)、調(diào)試比較容易;⑤對(duì)輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：①對(duì)輸入電壓的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢;②補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)本來(lái)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(jì)誤差放大器時(shí)，需要將主極點(diǎn)低頻衰減，或者增加一個(gè)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(kāi)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(duì)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(shí)輸入電壓變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來(lái)，因此該方法對(duì)輸入電壓的變化引起的瞬態(tài)響應(yīng)速度明顯提高。對(duì)輸入電壓的前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，而對(duì)輸出電壓的控制是閉環(huán)控制，目的是增加對(duì)輸入電壓變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。這是一個(gè)有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制系統(tǒng)。

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