開關(guān)電源常用控制模式詳解

開關(guān)變換器控制器(芯片)是DC-DC變換器的核心，可分為PWM控制芯片和PFM控制芯片兩大類。其中PWM控制芯片的主要功能是產(chǎn)生頻率固定、脈沖寬度隨變換器輸入及輸出電壓變化的脈沖信號(hào)來(lái)控制變換器內(nèi)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而使DC-DC變換器輸出電壓保持穩(wěn)定；而PFM控制芯片的主要功能是產(chǎn)生低電平時(shí)間或高電平時(shí)間固定，但開關(guān)頻率隨變換器輸入及輸出電壓變化的脈沖信號(hào)來(lái)控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而使DC-DC變換器輸出電壓保持穩(wěn)定。一個(gè)是定頻，一個(gè)是變頻，變和不變的控制邏輯；

根據(jù)采樣對(duì)象的不同，可將PWM控制器分為電壓型和電流型兩大類。為簡(jiǎn)化不同拓?fù)渥儞Q器的外圍電路，眾多半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家為不同拓?fù)渥儞Q器設(shè)計(jì)了相應(yīng)的PWM控制芯片或PFM控制芯片，其中傳統(tǒng)硬開關(guān)反激、正激變換器可共用同一類PWM控制芯片，如UC384X系列芯片、FAN67XX系列以及On-Bright公司的OB2262、OB2263、OB2273等；傳統(tǒng)硬開關(guān)半橋、全橋變換器也可以共用同一類PWM控制芯片，如TL494及其兼容芯片KA7500、SG3525芯片等；而FAN7930、L6562、MC33262、OB6563等PFM控制芯片又專為APFC變換器設(shè)計(jì)；QR反激變換器有專用的QR控制芯片，如飛兆的FAN6300系列(包括FAN6300A、FAN6300H)，安森美的NCP1207、NCP1380系列，昂保的OB2201、OB2202、OB2203等；半橋諧振LLC變換器也有專用的PFM控制芯片，如ST公司的L6599與L6599A、飛兆半導(dǎo)體的FAN7621、FAN7631等，已并入安森美。

1、VM電壓PWM控制器

由輸出電壓取樣電路、誤差放大器EA、比較器CP、振蕩器OSC、鋸齒波發(fā)生器以及承擔(dān)電平鎖存功能的SR觸發(fā)器等部件構(gòu)成。

圖1 PWM VM 電源boost控制器 框圖

工作原理：占空比發(fā)波大小由輸出電壓Uo進(jìn)行采樣，控制PWM占空比，使得輸出電壓電壓穩(wěn)定；在VM PWM控制器中，振蕩器的開關(guān)頻率是固定的，鋸齒波的輸出信號(hào)斜率也是固定的，PWM調(diào)節(jié)器實(shí)際是一個(gè)電壓比較器，誤差放大器EA輸出信號(hào)Uc為受輸出電壓控制的一個(gè)模擬信號(hào)，當(dāng)輸入電壓抬高，VC是減小的，反之是增加的，振蕩器clk輸出高電平，RS觸發(fā)器Q置高，相當(dāng)于時(shí)鐘上升沿發(fā)波，什么時(shí)候停止發(fā)波低電平呢？受控于R端，R端變低，停止發(fā)波，再到下一個(gè)時(shí)鐘上升沿再次發(fā)波；那占空比高電平始于CLK，終于R變低，整個(gè)周期clk的周期固定，占空比變低的時(shí)間為VC和斜波比較，當(dāng)斜波大于VC時(shí)，停止發(fā)波；詳見圖1中間波形

優(yōu)點(diǎn)：電壓型控制器不需要斜率補(bǔ)償電路，只有一個(gè)閉環(huán)反饋回路，

缺點(diǎn)：但反饋補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，最大缺點(diǎn)是對(duì)輸入電壓UIN 變化反應(yīng)速度慢。例如，當(dāng)輸入電壓UIN 發(fā)生階躍跳變時(shí)，由于變換器輸出端接有大容量濾波電容，輸出電壓UO 可能會(huì)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，經(jīng)歷一段時(shí)間后輸出電壓UO 才逐漸趨于穩(wěn)定。因此，在電壓型 PWM 控制器中可能還需要增加前饋電路，強(qiáng)迫鋸齒波電壓斜率隨輸入電壓UIN 升高而增加，相當(dāng)于減小占空比，斜率增加了，需要很短時(shí)間就復(fù)位了，起到了前饋?zhàn)饔?；?a target="_blank">TI的控制器 UCC3750 buck 控制器 VM控制具有前饋?zhàn)饔?；提前補(bǔ)償，有前饋的補(bǔ)償，可以使得占空比和輸入電壓沒關(guān)系，這樣補(bǔ)償也變得容易。

2、電流型控制器CM

電流型控制的開關(guān)電源技術(shù)與設(shè)計(jì)為改善開關(guān)控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，1972年F.C.Shiwarz提出了電流型(Current Mode Control)控制器模型，它實(shí)際上是電流、電壓雙閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，借助電壓閉環(huán)負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓 ，以便獲得良好的負(fù)載調(diào)整率；借助主開關(guān)電感或開關(guān)管電流閉環(huán)負(fù)反饋形成的前饋特性改善輸入電壓突變的響應(yīng)速度，以便獲得良好的線電壓調(diào)整率。電流型控制器包括了峰值電流控制、平均電流控制、電流滯環(huán)控制三種方式。

圖2 CM PWM BOOST 框圖

工作原理：雙閉環(huán)，外環(huán)電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)；通過(guò)輸出電壓的取樣，控制PWM信號(hào)的占空比使得輸出電壓穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)電感電流進(jìn)行取樣，使得能夠即時(shí)感知輸入電壓的變化，電流型PWM控制器中，振蕩頻率也是不變的，誤差放大器的EA輸出UC幅度決定著輸出電壓，在開關(guān)管Q1截止器件，取樣信號(hào)為0，CP比較器的同相輸入段Wie0，反相輸入段Uc大于0，所以R端為0，觸發(fā)器為高有效，當(dāng)振蕩器 OSC 高電平時(shí)觸發(fā)S=1，Q值=1，打開MOS Q1,相當(dāng)于時(shí)鐘開門，關(guān)門是RS檢測(cè)電阻上的電流斜波幅值決定，當(dāng)大于UC時(shí)，觸發(fā)高電平R=1，Q=0，關(guān)閉Q1，ton結(jié)束，進(jìn)入toff，之道下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)，開啟下一個(gè)ton時(shí)刻，周而復(fù)始，RS觸發(fā)器有兩個(gè)功能（觸發(fā)和保持功能。S=1觸發(fā)開啟，R=1 觸發(fā)復(fù)位，其他時(shí)刻都是保持）；

優(yōu)點(diǎn)：由于電感電流 IL=uin/L*T 檢測(cè)電阻上電壓波形US=IL*RS=uin/L*RS*t,可以看見斜波斜率受輸入電壓影響，成正比，本身就具備了電壓前饋特性，對(duì)輸入電壓Uin的突變相應(yīng)速度快，引其實(shí)恒流源控制，相對(duì)于VM控制，其補(bǔ)償容易些，一般需要2型補(bǔ)償或者基本的1型補(bǔ)償就可穩(wěn)定；如下圖 3在輸出電壓升高和降低，輸入電壓降低時(shí)的占空比調(diào)整過(guò)程，可以看到輸入電壓降低時(shí)，直接改變占空比維持電感電流的穩(wěn)定，所以其相應(yīng)相對(duì)于VM調(diào)整更快。比較適合寬壓輸入的拓?fù)洹?/p>

圖3 電流型PWM控制器的調(diào)整波形

缺點(diǎn)是：CM在Q1開通時(shí)，由于變壓器寄生電容通過(guò)MOS瞬間充電，引其前沿電壓尖峰，一般需要RC濾波躲過(guò)，或者控制器里面有濾波或者延時(shí)計(jì)數(shù)等躲過(guò)，另外其占空比如大于0.5 CCM，有次諧波振蕩，需要斜波補(bǔ)償；對(duì)于DCM模式，不需要；

3、峰值電流型控制器次諧振現(xiàn)象與斜波補(bǔ)償電路

工作在CCM模式下，占空比D>0.5出現(xiàn)次諧振現(xiàn)象；具體的表現(xiàn)為系統(tǒng)受到干擾，輸入電壓突變又恢復(fù)，負(fù)載突變又恢復(fù)等，相鄰的兩個(gè)開關(guān)周期，會(huì)因?yàn)殡姼须娏鞯钠疲沟肨ON導(dǎo)通時(shí)間出現(xiàn)長(zhǎng)短交替，使得系統(tǒng)進(jìn)入失控狀態(tài)，尤其是測(cè)試上出現(xiàn)大小波，出現(xiàn)比正常的開關(guān)頻率更低的振蕩，就是所謂的次諧波振蕩現(xiàn)象。

具體的可用圖4形象地解釋。其中粗實(shí)線表示正常狀態(tài)下的斜坡電壓，虛線表示受干擾后的斜坡電壓。

圖 4 CCM D>0.5 次諧波現(xiàn)象 D<0.5次擾動(dòng)減小

圖中，BOOST電感電流IL經(jīng)過(guò)檢測(cè)電阻采樣，作為電流斜波信號(hào)，導(dǎo)通斜波US=IL*RS=uin/L*RS*t隨著導(dǎo)通時(shí)間線性增加，變換器受到擾動(dòng)后的第K個(gè)周期內(nèi)，電感電流從最小值從IL’線性增加，如負(fù)載突然減小又快速恢復(fù)的擾動(dòng)引起，或者輸入電壓有突變抬高后又恢復(fù)等，都會(huì)引起IL’降低，而控制器的ton 在第K個(gè)周期增加到Ton'，按理說(shuō)應(yīng)該經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)周期后恢復(fù)到正常值，但是這個(gè)小小的擾動(dòng)使得占空比大于0.5時(shí)，經(jīng)過(guò)K+1,K+N, TOn時(shí)間縮短，以此往復(fù)，導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，形成次諧波震蕩，而在DCM和CRM模式，因?yàn)槊總€(gè)周期IL均從0開始，所以不會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題，僅僅擾動(dòng)影響當(dāng)前的開關(guān)周期占空比增大或者縮?。欢?dāng)占空比小于0.5時(shí)，高中的幾何原理很容易證明占空比增量逐漸縮小，擾動(dòng)變?。?/p>

為此，在由峰值電流型PWM控制器構(gòu)成的DC-DC變換器中，為避免占空比D>0.5時(shí)，CCM模式下峰值電流型PWM控制器出現(xiàn)次諧振現(xiàn)象，可使比較器的控制電壓UC呈現(xiàn)向下的斜坡，或者在電流檢測(cè)同相端增加一個(gè)諧波，（在電感電流對(duì)應(yīng)的斜坡電壓上疊加一個(gè)同頻的斜率補(bǔ)償電壓，使等效的斜坡電壓斜率增加。）目的是減小占空比，這塊實(shí)際是引入一個(gè)諧波搞定占空比擾動(dòng)；

圖5 電流斜波補(bǔ)償

(1)如果變換器工作在CCM模式，將占空比限制在0.5以內(nèi)，可避免產(chǎn)生次諧振現(xiàn)象；

(2)在最小輸入電壓下，占空比D可能大于0.5時(shí)，選擇DCM或BCM模式，也不存在次諧振現(xiàn)象；

(3) 在最小輸入電壓下，占空比D可能大于0.5，且變換器又必須工作在CCM模式時(shí)，則只能借助斜率補(bǔ)償電路，方能避免出現(xiàn)次諧振現(xiàn)象，確保變換器穩(wěn)定工作。

盡快峰值電流型控制策略在特定的條件下存在斜波補(bǔ)償電路，但是其優(yōu)點(diǎn)非常明顯，消除了電感的雙極點(diǎn)，使得系統(tǒng)的LC傳遞函數(shù)降為1階，環(huán)路穩(wěn)定補(bǔ)償更容易，另外線調(diào)整率提高，對(duì)輸入電壓的相應(yīng)速度快，很容易實(shí)現(xiàn)CBC逐周期限流保護(hù)，簡(jiǎn)化了過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)，當(dāng)多模塊并聯(lián)時(shí)，每個(gè)模塊的基準(zhǔn)均來(lái)自輸入電壓基準(zhǔn)VC，很容易實(shí)現(xiàn)并聯(lián)均流，目前絕大多數(shù)電流型反激，正激變換器Pwm控制芯片均采用這種控制方式。

4、平均電流型控制

此控制模式是1987年由B.L.WILKINSON 提出的平均電流型控制，該控制方案在PFC電路中得到了廣泛應(yīng)用。如下圖6

圖6 平均電流控制 BOOST 框圖

其工作原理：UO經(jīng)過(guò)輸入采樣通過(guò)FB送誤差放大器的反相輸入端，與參考電壓誤差經(jīng)放大補(bǔ)償之后的信號(hào)VE作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，這塊與前面的VM,峰值CM控制相同的外環(huán)，VE作為內(nèi)環(huán)平均電流的基準(zhǔn)，峰值電流 CA為比較器，此平均電流為電流誤差放大器，放大電感電流IL與UE的差值產(chǎn)生VC信號(hào) VC信號(hào)再與鋸齒波切割產(chǎn)生PWM，可見平均電流控制信號(hào)也是電壓電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)；

優(yōu)點(diǎn)：這種平均電流控制抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，缺點(diǎn)：電感平均電流采樣電路復(fù)雜，檢測(cè)元件體積大，功耗大；

5、電流滯環(huán)型控制

電流滯環(huán)型控制也通過(guò)采樣電感電流，并與給定的電感上限電流、下限電流比較。當(dāng)變換器電感電流大于Ilmax時(shí)，PWM輸出低電平，使開關(guān)管斷開，電感電流下降，當(dāng)下降到低于Ilmin時(shí)，使得開關(guān)管導(dǎo)通；以此往復(fù)，由于電感電流的上升和下降斜率與負(fù)載輕重，與輸入電壓相關(guān)，因此電流滯環(huán)型控制的開關(guān)頻率是不固定的，會(huì)隨著負(fù)載輕重和輸入電壓的變化而變化，屬于PFM的調(diào)制范疇

當(dāng)然以上是經(jīng)典的控制模式，不局限于這幾種控制，還有電荷控制，單周期控制，數(shù)字PID控制等?？筛鶕?jù)控制器的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行分析。

本文講解了 PWM VM和CM（峰值，均值）， PFM （COT控制模式）經(jīng)典控制方式。是目前常用工作方式，應(yīng)用廣泛。

審核編輯：湯梓紅