開關電源多路輸出技術控制方法綜述

0 引言

多路輸出技術中一個重要性能指標就是負載交叉調(diào)整率的問題，我們通常采用變壓器副邊多個繞組的方法來實現(xiàn)多路輸出。但是這種方法一般只采樣一路主輸出進行反饋調(diào)節(jié)控制，因此交叉調(diào)整性能較差。改善多路輸出開關電源交叉調(diào)整率的方法可分為無源和有源兩類。本文首先介紹了幾種傳統(tǒng)的多路輸出技術，并對其進行了簡單的分析和總結。重點介紹了兩種新的多路輸出技術：恒流源實現(xiàn)多路輸出和PWM—PD多路輸出技術。結合典型拓撲探討了PWM—PD技術的應用前景。

l 傳統(tǒng)的多路輸出方法

1)無源調(diào)節(jié)

無源調(diào)節(jié)通過在次級增加一些簡單的無源器件可以使負載交叉調(diào)整率得到一定的改善。無源調(diào)節(jié)包括耦合電感調(diào)節(jié)控制和加權電壓反饋調(diào)節(jié)控制兩種，如圖1所示。前者通過將輸出電感L1、L2繞在同一磁芯上，相當于增大了濾波電感，使輔輸出穩(wěn)壓，從而使負載交錯性能得到一定改善。加權電壓反饋調(diào)節(jié)同時檢測反饋幾路輸出電壓加權和到控制電路中，通過合理設計各路輸出反饋電壓的加權因子，調(diào)整各路輸出電壓。這兩種方法都存在調(diào)節(jié)誤差。但它們實現(xiàn)起來比較簡單，不增加電路的復雜性，適用于對輸出電壓精度要求較低的場合。

2)有源調(diào)節(jié)

有源調(diào)節(jié)也可稱為次級后置裝置調(diào)節(jié)，即通過在變壓器副邊加入一級有源調(diào)節(jié)裝置對次級整流電路進行調(diào)整來實現(xiàn)對輔輸出電壓的調(diào)整。以正激電路為例，圖2給出了五種不同類型的次級后置裝置調(diào)節(jié)方式，他們具有各自的優(yōu)缺點。表l給出了不同類型調(diào)節(jié)方式在電路結構、效率、性價比、調(diào)整率以及應用場合等方面的特性比較。

2 新穎的多路輸出技術

1)恒流源實現(xiàn)多路輸出技術

傳統(tǒng)的多路輸出技術存在交叉調(diào)整率較差或者電路過于復雜等問題，恒流源多路輸出技術通過對幾個控制開關的簡單控制可很好的實現(xiàn)對不同負載的供電。

(1)工作原理

圖3給出了恒流源實現(xiàn)多路輸出的基本工作原理。如圖所示，多個平行負載分別通過一個輸出控制開關接在恒流源的后級，采用分時復用(TM)的方法，每個輸出開關在一個開關周期內(nèi)只有一段間隔時間與電流源連接，通過控制開關的開通和關斷時間可以控制每路輸出電容上的電壓值，實現(xiàn)多路輸出電壓。該恒流源可以用平均電流控制型Buck，Buck—Boost，SEPIC，反激等單電感PWM DC—DC變換器來實現(xiàn)，如果輸入輸出需要電氣隔離則可用正激變換器拓撲。根據(jù)不同的電路拓撲，電路可工作在斷續(xù)(DCM)模式，也可工作在連續(xù)(CCM)模式，還能實現(xiàn)輸出的雙極性。

(2)控制方法

輸出開關S1、S2、S3的占空比控制有幾種控制方法。一種是滯后控制，如圖4所示。t1時間內(nèi)第一路輸出電壓Uo1低于其下限值時，S1導通，電流源對輸出電容C1充電，輸出電壓逐漸升高，當達到它的上限電壓值時，S1關斷。當S1、S2、S3都關斷，沒有任何負載與恒流源接通時，Sr導通，恒流源通過Sr續(xù)流。每路輸出與恒流源的導通時間在一定范圍內(nèi)取決于它的滯后帶寬。采用滯后控制的功率開關管開關頻率是不斷變化的，不利于電路參數(shù)的設計。

電壓反饋控制是另一種更可取的方法，對各個開關進行恒頻脈寬調(diào)制控制，各路輸出開關的控制信號應選用同一斜坡信號以保持同步。以兩路輸出的Buck變換器為例，如圖5所示。VT1和VT2，VTr和VT1，VTr和VT2的驅(qū)動信號之間須有一定的死區(qū)。

恒流源實現(xiàn)多路輸出技術的方法電路磁性元器件少，控制電路簡單，如開關占空比留有一定的死區(qū)時間則各路輸出之間完全不存在負載交叉調(diào)整率的問題，但輕載時效率較低，比較適用于便攜數(shù)字電路系統(tǒng)中的儲備電源。

2)PWM—PD(Pulse width modulation—pulsedelay control)多路輸出技術

(1)工作原理

PWM—PD多路輸出技術基于脈寬調(diào)制一脈寬延遲控制技術之上研究出新的多路輸出變換器拓撲。利用PWM—PD多路輸出技術獲得的獨立控制參數(shù)個數(shù)多于拓撲中可控器件的個數(shù)。它的基本工作原理如圖6(a)所示，以正反激變換器為例。電路有三路輸出，兩個功率開關管，中間為功率級。要實現(xiàn)三路精確輸出則需要三個獨立控制參數(shù)對電路進行控制。占空比dA、dB分別為VTA、VTB的同頻控制信號，控制第一路和第三路的輸出電壓。另外一個控制信號取決于dA、dB之間的延時dA、dd+dB控制第二路輸出電壓。這樣三個控制信號dA、dB、dd+dB就可實現(xiàn)三路輸出的精確調(diào)節(jié)。電路只需控制兩個開關功率器件就能獲得三路輸出電壓。該控制電路可以通過模擬集成芯片實現(xiàn)，亦可采用數(shù)字控制，控制信號dA、dB、dd應滿足下面條件，如圖6(b)所示。

(2)典型應用

PWM—PD多路輸出技術適用于很多DC／DC拓撲。根據(jù)中間的DC／DC變換器功率模塊的不同拓撲結構可分為以下三類：


①無隔離變壓器的變換器，如圖7(a)；

②有變壓器并接有后置調(diào)節(jié)裝置的變換器，其中又包括變壓器多副邊及單副邊繞組兩種情況，如圖7(b)；

③有變壓器但不接后置調(diào)節(jié)裝置的變換器，如圖6(a)。

上述幾種PWM—PD多路輸出拓撲有些只適用于非隔離場合，有些受到功率等級的限制。文獻提出了一種基于PWM—PD控制技術的全橋式多路輸出變換器，見圖8。

基本工作原理：開關管VT1和VT2組成第一路不對稱半橋，VT3和VT4組成第二路不對稱半橋，兩組不對稱半橋并聯(lián)則組成一個全橋電路。對三路輸出分別進行采樣可獲得三個誤差放大電壓。利用Uo2的誤差信號產(chǎn)生兩路PWM—PD脈沖分別同步兩路PWM信號，兩路PWM信號可分別產(chǎn)生兩路互補信號UVTl、UVT2和UVT3、UVT4，經(jīng)脈沖隔離變后分別控制四個開關管，則Uo1和Uo3可分別通過控制UVT1和UVT3的占空比獲得精確控制，Uo2由UVT1和UVT4之間的相移控制。

此外，通過擴展橋臂還可以實現(xiàn)2N一1路輸出(N為橋臂數(shù))，每一路都能獲得精確控制。利用變壓器漏感還可以實現(xiàn)四個開關管的ZVS運行，使變換器可以工作在更高的開關頻率。該方法較之傳統(tǒng)的后置裝置調(diào)節(jié)控制電路更為簡單，所需元器件少，成本低，效率高，交叉調(diào)整率好，輸出電壓精確，對輸出電壓調(diào)整率要求高的大功率場合如通信電源、工業(yè)電源等具有實際意義。

3 結束語

交叉調(diào)整率是評估多路輸出開關電源的重要性能指標之一。本文對傳統(tǒng)的多路輸出控制技術進行了簡單介紹和總結，對于輸出精度不高的場合，低成本的無源調(diào)節(jié)方式可以滿足設計要求。隨著通信、數(shù)字處理技術的發(fā)展，輸出調(diào)整率好的大功率多路輸出變換器越來越受到業(yè)界的歡迎。基于PWM—PD控制技術的多路輸出變換器控制簡單，所需元件少，效率高，交叉調(diào)整率好，其研究對未來多路輸出技術的發(fā)展具有很好的參考價值。