開(kāi)關(guān)電源變換器電壓模式的工作原理及特點(diǎn)

電壓模式和電流模式是開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中常用的兩種控制類型。在開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中，當(dāng)輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化以及電源內(nèi)部的參數(shù)變化時(shí)，控制電路將檢測(cè)被控制的電壓及電流信號(hào)，將它們與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，然后將差值放大，進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，以調(diào)節(jié)主電路功率器件的導(dǎo)通脈沖寬度或開(kāi)關(guān)頻率，從而保證系統(tǒng)的輸出電壓或輸出電流等被調(diào)節(jié)信號(hào)的穩(wěn)定。

開(kāi)關(guān)電源有PFM和PWM兩種控制方式：PFM工作在變頻方式，通過(guò)調(diào)節(jié)工作頻率保持輸出電壓或輸出電流的恒定。PWM工作在固定頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度，即占空比，保持輸出電壓或輸出電流的恒定。電源系統(tǒng)中，電壓的取樣信號(hào)有輸入電壓和輸出電壓，而電流的取樣有功率電感的直流壓降、電流取樣電阻電壓和和功率MOSFET的導(dǎo)通壓降等，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)流或恒功率的控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、均流、輸出電壓排序跟蹤等附帶的功能。

1 通用電壓模式的工作原理及特點(diǎn)

控制環(huán)僅有一個(gè)的電壓反饋環(huán)，電壓反饋環(huán)包括電壓誤差放大器、反饋分壓電阻器和反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。電壓誤差放大器的同相端連接到參考電壓Vref，反饋分壓電阻器連接到電壓誤差放大器的反相端FB，反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接到反相端FB和電壓誤差放大器的輸出端COMP，輸出端COMP的電壓為Vc。電壓誤差放大器的輸出連接到PWM比較器的同相端，PWM比較器的反相端輸入信號(hào)為斜波發(fā)生器輸出的連續(xù)鋸齒波，由時(shí)鐘同步信號(hào)產(chǎn)生。

 1.1 電壓模式工作過(guò)程

電壓模式的工作過(guò)程有二個(gè)階段：

(1)時(shí)鐘振蕩器輸出脈沖信號(hào)為高電平，高端的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，開(kāi)始一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，電感所加的電壓為正，電感激磁，電流線性上升。由于鋸齒波的電壓低于Vc的電壓，PWM比較器輸出低電壓。

(2)當(dāng)鋸齒波的電壓增加到高于Vc的電壓時(shí)，PWM比較器輸出翻轉(zhuǎn)，高端的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，低端的同步MOSFET或續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感所加的電壓為負(fù)，電感去磁，電流線性下降。直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始的時(shí)鐘同步信號(hào)到來(lái)，如此反復(fù)。

1.2 調(diào)節(jié)工作原理

電壓模式調(diào)節(jié)原理如下：

(1)當(dāng)輸出負(fù)載增大時(shí)，輸出電壓降低，Vc增大，鋸齒波的電壓只有增加到更高的值才能夠和Vc相等，從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn)，因此，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間增長(zhǎng)，占空比增加，輸入功率增加，因此輸出電壓增加，當(dāng)輸出電壓增加到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)保持平衡。

(2)當(dāng)輸出負(fù)載降低時(shí)，輸出電壓升高，Vc降低，鋸齒波的電壓在較低的值就可以等于Vc值，從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn)，因此，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間縮短，占空比降低，輸入功率降低，因此輸出電壓降低，當(dāng)輸出電壓降低到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)保持平衡。

電壓誤差放大器的作用是檢測(cè)緩慢變化的輸出直流電壓信號(hào)的微小變化，輸入到FB管腳，F(xiàn)B管腳的電壓V-與參考電壓Vref的差值被電壓誤差放大器放大輸出，輸出Vc為具有一定幅值的比較干凈的直流低頻反饋控制信號(hào)，開(kāi)關(guān)電源輸出附帶的較寬頻帶的高頻開(kāi)關(guān)噪聲信號(hào)被濾除，從而保證輸出穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)壓精度。

高頻開(kāi)關(guān)噪聲的頻率較高，幅值較大，如果高頻開(kāi)關(guān)噪聲衰減不夠的話，系統(tǒng)容易受到干擾，不能穩(wěn)定工作;但是高頻開(kāi)關(guān)噪聲衰減過(guò)大的話，系統(tǒng)的帶寬窄，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，因此要做一些折衷的設(shè)計(jì)，要保持電壓誤差放大器的低頻增益高，高頻增益低，可以通過(guò)對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

1.3 外加限流保護(hù)

從電壓模式工作原理可以看到，系統(tǒng)沒(méi)有內(nèi)置的限流功能保護(hù)電路，同時(shí)，對(duì)于輸入和輸出的瞬變變化，系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。當(dāng)輸入電壓突然變低或負(fù)載阻抗突然變低時(shí)，因?yàn)橹麟娐酚休^大的輸出電容和電感，電容與電感產(chǎn)生相移延時(shí)作用，輸出電壓的變低也延時(shí)滯后，輸出電壓變低的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路的延時(shí)滯后，才能傳到PWM比較器，將脈寬變寬，這兩個(gè)延時(shí)滯后作用是暫態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須外加限流保護(hù)電路，注意到限流保護(hù)電路只起限流的作用，并不參與系統(tǒng)的內(nèi)部的反饋調(diào)節(jié)。

1.4 電壓模式優(yōu)缺點(diǎn)

電壓模式的優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于電流信號(hào)不參與反饋，系統(tǒng)不會(huì)受到電流噪聲的干擾。

(2)PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗噪聲性能。

(3)占空比調(diào)節(jié)不受限制。

(4)對(duì)于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)性能較好。

(5)單一電壓閉環(huán)反饋設(shè)計(jì)，調(diào)試比較容易。

(6)對(duì)輸出負(fù)載的變化有較快的響應(yīng)。

(7)低的輸出阻抗。

電壓模式的缺點(diǎn)：

(1)單反饋環(huán)控制系統(tǒng)，輸出LC濾波器在控制環(huán)中產(chǎn)生雙極點(diǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，需要增加一個(gè)零點(diǎn)對(duì)主極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，因此反饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要更多額外的器件仔細(xì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路，來(lái)優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

環(huán)路增益是輸出電容ESR的函數(shù)，輸出電容影響反饋環(huán)，需要電解電容或鉭電容穩(wěn)定控制回路以維持良好的高頻響應(yīng);在相同均方根工作電流的需求下，相同電容值的電解電容或鉭電容比陶瓷電容的體積更大，同時(shí)輸出電壓的波動(dòng)也更大。

環(huán)路的增益是輸入電壓的函數(shù),對(duì)輸入電壓的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，需要輸入電壓前饋。

電壓模式的反饋設(shè)計(jì)通常選取穿越頻率為1/5-1/10的開(kāi)關(guān)頻率，環(huán)路補(bǔ)償采用III類補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)：3個(gè)極點(diǎn)和2個(gè)零點(diǎn)，2個(gè)零點(diǎn)安排在LC諧振雙極點(diǎn)附近，以抵消雙極點(diǎn)產(chǎn)生的相位延遲;低頻積分電路用以提高低頻的直流增益，2個(gè)高頻極點(diǎn)以產(chǎn)生高頻噪聲衰減，保證在0dB穿越頻率以上環(huán)路增益保持下降。

(2)用于限流控制的電流檢測(cè)緩慢不準(zhǔn)確。

(3)如果多個(gè)電源和多個(gè)相位并聯(lián)操作,需要外部電路進(jìn)行均流控制。

1.5 電壓模式動(dòng)特性改善

改善電壓模式控制瞬態(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，但是這樣容易受到高頻開(kāi)關(guān)噪聲干擾，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技術(shù)，用輸入電壓對(duì)電阻電容充電產(chǎn)生的具有可變化上升斜坡的三角波，取代傳統(tǒng)電壓模式PWM控制器中振蕩器產(chǎn)生的固定三角波。此時(shí)，輸入電壓的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，這樣就構(gòu)成了一個(gè)開(kāi)環(huán)和一個(gè)閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。

2 滯回電壓模式的工作原理及特點(diǎn)

滯回電壓控制模式一種最簡(jiǎn)單的控制方法，控制環(huán)包括兩個(gè)部分：分壓電阻器和滯回比較器。分壓電阻器用于檢測(cè)輸出紋波電壓，滯回比較器用于控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。主功率回路工作在自由振蕩方式，電路調(diào)節(jié)輸出電壓并保持輸出電壓在參考電壓和比較器所設(shè)定的滯回窗口電壓范圍內(nèi)。

滯回電壓模式工作過(guò)程如下：

(1)當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，比較器的反相端的電壓也降低，當(dāng)反相端低于Vref-dV/2時(shí)，比較器輸出高電平，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，輸出電壓增加。

(2)當(dāng)輸出電壓繼續(xù)增加，使比較器的反相端高于Vref+dV/2時(shí)，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。如此反復(fù)。

滯洄電壓模式的優(yōu)點(diǎn)：

(1)滯回電壓模式?jīng)]有反饋環(huán)，因此不需要補(bǔ)償設(shè)計(jì)，延時(shí)通常和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電容相關(guān)，滯回電壓模式?jīng)]有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所以，誤差信號(hào)也就沒(méi)有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的延時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中電容充放電形成的不正常的電壓所帶來(lái)的不利影響。

(2)響應(yīng)快。滯回電壓模式能夠在當(dāng)前的周期非?？斓捻憫?yīng)負(fù)載電流的瞬態(tài)變化，響應(yīng)的時(shí)間只取決于滯洄比較器的驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)。

(3)最簡(jiǎn)單的一種控制方法。

滯洄電壓模式的缺點(diǎn)：

(1)工作在變頻工作方式，頻率變化范圍寬時(shí)，不利于電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)開(kāi)頭頻率依賴于輸出的濾波器、輸入電壓和輸出電壓、滯回窗口電壓和內(nèi)部的延時(shí)。