電壓、電流的反饋控制模式

　　現(xiàn)在的高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源主要有五種PWM反饋控制模式。電源的輸入電壓、電流等信號(hào)在作為取樣控制信號(hào)時(shí)，大多需經(jīng)過處理。針對(duì)不同的控制模式其處理方式也不同。下面以由VDMOS開關(guān)器件構(gòu)成的穩(wěn)壓正激型降壓斬波器為例，講述五種PWM反饋控制模式的發(fā)展過程、基本工作原理、電路原理示意圖、波形、特點(diǎn)及應(yīng)用要｀氪，以利于選擇應(yīng)用及仿真建模研究。

　?。?）電壓反饋控制模式
　　電壓反饋控制模式是20世紀(jì)60年代后期高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展而采用的一種控制方法。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)界被廣泛應(yīng)用。如圖1（a）所示為Buck降壓斬波器的電壓模式控制原理圖。電壓反饋控制模式只有一個(gè)電壓反饋閉環(huán)，且采用的是脈沖寬度調(diào)制法，即將經(jīng)電壓誤差放大器放大的慢變化的直流采樣信號(hào)與恒定頻率的三角波上斜坡信號(hào)相比較，經(jīng)脈沖寬度調(diào)制得到一定寬度的脈沖控制信號(hào)，電路的各點(diǎn)波形如圖1（a）所示。逐個(gè)脈沖的限流保護(hù)電路必須另外附加。電壓反饋控制模式的優(yōu)點(diǎn)如下。

　　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。

　?、蹖?duì)于多路輸出電源而言，它們之間的交互調(diào)節(jié)特性較好。

　　④單一反饋電壓閉環(huán)的設(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)。

電壓反饋控制模式的缺點(diǎn)如下。
　?、賹?duì)輸入電壓的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。當(dāng)輸入電壓突然變小或負(fù)載阻抗突然變小時(shí)，因?yàn)橹麟娐分械妮敵鲭娙軨及電感L有較大的相移延時(shí)作用，輸出電壓的變小也延時(shí)滯后，而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(shí)滯后，才能傳至PWM比較器將脈寬展寬。這兩個(gè)延時(shí)滯后作用是動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。

　?、谘a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)本來就較為復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化的現(xiàn)象使其更為復(fù)雜。

　?、圯敵龆说腖C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。

　?、茉诳刂拼判撅柡凸收蠣顟B(tài)方面較為麻煩和復(fù)雜。
　　改善及加快電壓模式控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的方法有兩種：一種是增加電壓誤差放大器的帶寬，以保證其具有一定的高頻增益。但是這樣容易受高頻開關(guān)噪聲干擾的影響，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。另一種是采用電壓前饋控制模式。電壓前饋控制模式的原理圖如圖1（b）所示。用輸入電壓對(duì)電阻、電容（Rt、Ctt）充電，以產(chǎn)生具有可變化的上斜坡的三角波，并且用它取代傳統(tǒng)電壓反饋控制模式中振蕩器產(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，因此該方法明顯提高了由輸入電壓的變化引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。在該方法中對(duì)輸入電壓的前饋控制是開環(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，故這是一個(gè)由開環(huán)和閉環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制系統(tǒng)。

　　圖1電壓模式控制原理圖
　?。?）峰值電流反饋控制模式
　　峰值電流反饋控制模式簡稱峰值電流控制模式，它的概念出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代后期，來源于原邊具有電流保護(hù)功能的單端自激式、反激式高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源。20世紀(jì)70年代后期才開始從學(xué)術(shù)上對(duì)其進(jìn)行深人的建模研究。直至20世紀(jì)80年代初期，第一批峰值電流控制模式集成電路（UC3842、UC3846）的出現(xiàn)，使得峰值電流控制模式迅速得到了推廣應(yīng)用，它主要用在了單端及推挽電路方面。近年來，由于大占空比所必需的同步不失真斜坡補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)現(xiàn)上的難度及抗噪聲性能差，峰值電流控制模式面臨著改善性能后的電壓控制模式的挑。如圖2所示，將誤差電壓信號(hào)UE送至PWM比較器后，并不是像電壓控制模式那樣與由振蕩電路產(chǎn)生的固定三角波狀電壓斜坡信號(hào)進(jìn)行比較，而是與一個(gè)變化的其峰值代表輸出電感電流峰值的三角狀波形或梯形尖角狀合成波形信號(hào)叱比較，然后得到PWM脈沖的關(guān)斷時(shí)刻。因此峰值電流控制模式不是用電壓誤差信號(hào)直接控制PWM的脈沖寬度，而是直接控制峰值輸出側(cè)的電感電流的大小，然后間接地控制PWM的脈沖寬度。

　　峰值電流控制模式是一種用固定時(shí)鐘開啟、關(guān)斷峰值電流的控制方法，這是因?yàn)榉逯惦姼须娏魅菀讬z測，而且其在邏輯上與平均電感電流大小的變化相一致。但是，峰值電感電流的大小不能與平均電感電流的大小一一對(duì)應(yīng)，因?yàn)樵谡伎毡炔煌那闆r下，相同的峰值電感電流的大小可以對(duì)應(yīng)不同的平均電感電流大小。而平均電感電流的大小才是唯一決定輸出電壓大小的因素。在數(shù)學(xué)上可以證明，將電感電流下斜坡斜率的至少一半以上的斜率加在實(shí)際檢測電流的上斜坡上，可以去除不同占空比對(duì)平均電感電流大小的擾動(dòng)作用，使得所控制的峰值電感電流最后收斂于平均電感電流。因而合成波形信號(hào)UΣ要由斜坡補(bǔ)償信號(hào)與實(shí)際電感電流信號(hào)兩部分合成構(gòu)成。當(dāng)外加斜坡補(bǔ)償信號(hào)的斜率增加到一定程度時(shí)，峰值電流控制模式就會(huì)轉(zhuǎn)化為電壓控制模式。若將斜坡補(bǔ)償信號(hào)完全用振蕩電路的三角波代替，就成為了電壓控制模式，只不過此時(shí)的電流信號(hào)可以認(rèn)為是一種電流前饋信號(hào)，如圖2所示。當(dāng)輸出電流減小時(shí)，峰值電流控制模式就從原理上趨向變?yōu)殡妷嚎刂颇Ｊ?。?dāng)電路處于空載狀態(tài)，輸出電流為零，并且斜坡補(bǔ)償信號(hào)幅值比較大時(shí)，峰值電流控制模式實(shí)際上就變?yōu)榱穗妷嚎刂颇Ｊ健?BR>

　　圖2 峰值電流反饋模式控制原理圖

　　峰值電流控制模式是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，即電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)是瞬日巾決速按照逐個(gè)脈沖工作的。在該雙環(huán)控制中，電流內(nèi)環(huán)只負(fù)責(zé)輸出電感的動(dòng)態(tài)變化，因而電壓外環(huán)僅需控制輸出電容，不必控制LC儲(chǔ)能電路?；谶@些特點(diǎn)，峰值電流控制模式具有比電壓控制模式大得多的帶寬。峰值電流控制模式的優(yōu)點(diǎn)如下。
　?、贂簯B(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對(duì)輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)均很快。

　?、诳刂骗h(huán)易于設(shè)計(jì)。

　　③輸入電壓的調(diào)整可與電壓控制模式的輸入電壓前饋技術(shù)相媲美。

　　④具有簡單、自動(dòng)的磁通平衡功能。

　?、菥哂兴矔r(shí)峰值電流限流功能，即內(nèi)在固有的逐個(gè)脈沖限流功能。

　　⑥具有自動(dòng)均流并聯(lián)功能。

峰值電流控制模式的缺點(diǎn)如下。
　　①占空比大于50％時(shí)開環(huán)不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差。

　?、陂]環(huán)響應(yīng)不如平均電流控制模式理想。

　?、廴菀装l(fā)生次諧波振蕩，即使占空比小于50％，也有發(fā)生高頻次諧波振蕩的可能性，因而需要斜坡補(bǔ)償。

　?、軐?duì)噪聲敏感，抗噪聲性差。因?yàn)殡姼刑幱陔娏鬟B續(xù)工作狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流電平相比較，開關(guān)器件的電流信號(hào)的上斜坡通常較小，電流信號(hào)上有較小的噪聲就很容易使得開關(guān)器件改變關(guān)斷時(shí)刻，從而使系統(tǒng)進(jìn)入次諧波振蕩狀態(tài)。

　?、蓦娐吠?fù)涫芟拗啤?BR>
　　⑥對(duì)多路輸出電源的交互調(diào)節(jié)特性不好。

　?。?）平均電流控制模式
　　平均電流控制模式的概念產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代后期。平均電流控制模式集成電路出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初期，并成功應(yīng)用在了20世紀(jì)70年代后期的高速CPU專用的具有高di／dt動(dòng)態(tài)響應(yīng)供電能力的低電壓、大電流高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源中。如圖3（a）所示為平均電流控制模式的原理圖。該電路將誤差電壓％接至電流誤差信號(hào)放大器（e／a）的同相端，以作為輸出電感電流的控制編程電壓信號(hào)Ucp（cp為current-program的縮寫）；將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流信號(hào)UIN接至電流誤差信號(hào)放大器（e／a）的反相端，代表跟蹤電流編程信號(hào)Ucp的實(shí)際電感平均電流。UIN與UCP的差值經(jīng)過電流放大器（e／a）放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號(hào)UCA，再由VCA及三角鋸齒波信號(hào)UT或US通過比較器比較后得到PWM關(guān)斷信號(hào)。UCA的波形與電流波形UIN反相，所以是由UCA的下斜坡（對(duì)應(yīng)于開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)期）與三角波UT或US的上斜坡比較產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)的。顯然這無形中增加了一定的斜坡補(bǔ)償。為了避免次諧波振蕩，UCA的上斜坡不能超過三角鋸齒波信號(hào)UT或US的上斜坡。平均電流控制模式的優(yōu)點(diǎn)如下。
　?、倨骄姼须娏髂軌蚋叨染_地跟蹤電流編程