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开关电源的5种反馈控制方式

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电源

开关电源的5种反馈控制方式

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通信开关电源的五种
PWM
反馈控制模式研究
摘 要 根据实际设计工½经验及有关参考文献 比较详细地依据基本工½
原理图说明了电压模式 峰值电流模式 平均电流模式 滞环电流模式 相加模
式等
PWM
反馈控制模式的基本工½原理 发展过程 关键波½ 性½特点及应用
要点
关键词
脉冲½度调制
反馈控制模式 开关电源
1
引言
PWM
开关稳压或稳流电源基本工½原理就是在输入电压变化 内部参数变化
外接负½½变化的情况下 控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反
馈 调节主电路开关器件的导通脉冲½度 ½得开关电源的输出电压或电流等被
控制信号稳定
PWM
的开关频率一般为恒定 控制取样信号有 输出电压 输入
电压 输出电流 输出电感电压 开关器件峰值电流 由这些信号可以构成单环
双环或多环反馈系统 实现稳压 稳流及恒定功率的目的 同时可以实现一些附
带的过流保护 抗偏磁 均流等功½ 现在主要有五种
PWM
反馈控制模式 下面
VDMOS
开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例 说明五种
PWM
反馈控制模
式的发展过程 基本工½原理 详细电路原理示意图 波½ 特点及应用要点
以利于选择应用及仿真建模研究
2
开关电源
PWM
的五种反馈控制模式
一般来讲 正激型开关电源主电路可用图
1
所示的降压斩波器简化表示,Ug
表示控制电路的
PWM
输出驱动信号 根据选用不同的
PWM
反馈控制模式 电路中
的输入电压
Uin
输出电压
Uout
开关器件电流(由
b
点引出) 电感电流(由
c
引出或
d
点引出)均可½为取样控制信号 输出电压
Uout
在½为控制取样信号时
通常经过图
2
所示的电路进行处理 得到电压信号
Ue Ue
再经处理或直接送入
PWM
将输出电压与给定电压
Uref
控制器 图
2
中电压运算放大器(e/a)的½用有三
的差值进行放大及反馈 保证稳态时的稳压精度 该运放的直流放大增益理论上
为无穷大 实际上为运放的开环放大增益
将开关电源主电路输出端的附带有
较½频带开关噪声成分的直流电压信号½变为具有一定幅值的比较 干净 的直
流反馈控制信号(Ue)即保留直流½频成分 衰减交流高频成分 因为开关噪声的
频率较高 幅值较大 高频开关噪声衰减不够的话 稳态反馈不稳 高频开关噪
声衰减过大的话 动态响应较慢 ½然互相矛盾 ½是对电压误差运算放大器的
基本设计原则仍是 ½频增益要高 高频增益要½
对整个闭环系统进行校
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正 ½得闭环系统稳定工½
输入电压 电流等信号在½为取样控制信号时 大多也需经过处理 由于处理
方式不同 下面介绍不同控制模式时再分别说明
2.1
电压模式控制
PWM (Voltage-mode Control PWM)
3(a)为 BUCK
降压斩波器的电压模式控制
PWM
反馈系统原理图 电压模式控
PWM
60
年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法 该方
法与一些必要的过电流保护电路相结合 至今仍然在工业界很½地被广泛应用
电压模式控制只有一个电压反馈闭环 采用脉冲½度调制法 即将电压误差放大
器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较 通过脉冲½
度调制原理 得到½时的脉冲½度 见图
3(a)中波½所示
逐个脉冲的限流保护
电路必须另外附加 ½输入电压突然变小或负½½阻抗突然变小时 因为主电路有
较大的输出电容
C
及电感
L
相移延时½用 输出电压的变小也延时滞后 输出电
压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后 才½传至
PWM
比较
器将脉½展½ 这两个延时滞后½用是暂态响应慢的主要原因
电压模式控制的优点
PWM
三角波幅值较大 脉冲½度调节时具有较½的抗
噪声裕量
占空比调节不受限制
对于多路输出电源 它们之间的交互调节
效应较½
单一反馈电压闭环设计 调试比较容易
对输出负½½的变化有较
½的响应调节 缺点
对输入电压的变化动态响应较慢
补偿½络设计本来
就较为复杂 闭环增益随输入电压而变化½其更为复杂
输出
LC
滤波器给控制
环增加了双极点 在补偿设计误差放大器时 需要将主极点½频衰减 或者增加
一个零点进行补偿
在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂
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改善加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有二种 一是增加电压误差放大
器的带½ 保证具有一定的高频增益 ½是这样容易受高频开关噪声干扰½响
需要在主电路及反馈控制电路上采取措½进行抑制或同相½衰减平滑处理 另一
方法是采用电压前馈模式控制
PWM
技术 原理如图
3(b)所示
用输入电压对电阻
电容(R
FF
C
FF
)充电产生的具有可变化上斜坡的三角波取代传统电压模式控制 PWM
中振荡器产生的固定三角波 此时输入电压变化½立刻在脉冲½度的变化上反映
出来 因此该方法对输入电压的变化引起的瞬态响应速度明显提高 对输入电压
的前馈控制是开环控制 而对输出电压的控制是闭环控制 目的是增加对输入电
压变化的动态响应速度 这是一个有开环和闭环构成的双环控制系统
2.2
峰值电流模式控制
PWM (Peak Current-mode Control PWM)
峰值电流模式控制简称电流模式控制 它的概念在
60
年代后期来源于具有原
边电流保护功½的单端自激式反激开关电源 在
70
年代后期才从学术上½深入地
建模研究 直至
80
年代初期 第一批电流模式控制
PWM
集成电路
UC3842 UC3846
的出现½得电流模式控制迅速推广应用 主要用于单端及推½电路 近年来 由
于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性½差
电流模式控制面临着改善性½后的电压模式控制的挑战 如图
4
所示 误差电压
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信号
Ue
送至
PWM
比较器后 并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角
波状电压斜坡比较 而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波
½或梯½尖角状合成波½信号
U
比较 然后得到
PWM
脉冲关断时刻 因此(峰值)
电流模式控制不是用电压误差信号直接控制
PWM
脉冲½度 而是直接控制峰值输
出侧的电感电流大小 然后间接地控制
PWM
脉冲½度
电流模式控制是一种固定时钟开启 峰值电流关断的控制方法 因为峰值电感
电流容易传感 而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致 ½是 峰值电感
电流的大小不½与平均电感电流大小一一对应 因为在占空比不同的情况下 相
同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小 而平均电感电流大
小才是唯一决定输出电压大小的因素 在数学上可以证明 将电感电流下斜坡斜
率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜坡上 可以去除不同占空比对平
均电感电流大小的扰动½用 ½得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电
1
因而合成波½信号
U
要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构
成 ½外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度 峰值电流模式控制就会½化为
电压模式控制 因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替 就成为电
压模式控制 只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号 见图
4
所示
½输出电流减小 峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制 ½处
于空½½状态 输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话 峰值电流模式控
制就实际上变为电压模式控制了
峰值电流模式控制
PWM
是双闭环控制系统 电压外环控制电流内环 电流内
环是瞬时快速按照逐个脉冲工½的 功率级是由电流内环控制的电流源 而电压
外环控制此功率级电流源 在该双环控制中 电流内环只负责输出电感的动态变
化 因而电压外环仅需控制输出电容 不必控制
LC
储½电路 由于这些 峰值电
流模式控制
PWM
具有比起电压模式控制大得多的带½
峰值电流模式控制
PWM
的优点: 暂态闭环响应较快 对输入电压的变化和输
出负½½的变化的瞬态响应均快
控制环易于设计
输入电压的调整可与电压
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模式控制的输入电压前馈技术相妣美
简单自动的磁通平衡功½
瞬时峰值
电流限流功½ 即内在固有的逐个脉冲限流功½
自动均流并联功½ 缺点
占空比大于
50%的开环不稳定性
存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差
闭环响应不如平均电流模式控制理想
容易发生次谐波振荡 即½占空比小
50%
也有发生高频次谐波振荡的可½性 因而需要斜坡补偿
对噪声敏感
抗噪声性差 因为电感处于连续储½电流状态 与控制电压编程决定的电流电平
相比较 开关器件的电流信号的上斜坡通常较小 电流信号上的较小的噪声就很
容易½得开关器件改变关断时刻 ½系统进入次谐波振荡
电路拓扑受限制
对多路输出电源的交互调节性½不½
2.3
平均电流模式控制
PWM (Average Current-mode Control PWM)
平均电流模式控制概念产生于
70
年代后期 平均电流模式控制
PWM
集成电路
出现在
90
年代初期 成熟应用于
90
年代后期的高速
CPU
专用的具有高
di/dt
态响应供电½力的½电压大电流开关电源 图
5(a)所示为平均电流模式控制 PWM
1
的原理图
将误差电压
Ue
接至电流误差信号放大器(c/a)的同相端 ½为输出
电感电流的控制编程电压信号
Ucp U current- program
带有锯½纹波状分量
的输出电感电流信号
Ui
接至电流误差信号放大器(c/a)的反相端 代表跟踪电流
编程信号
Ucp
的实际电感平均电流
Ui
Ucp
的差值经过电流放大器(c/a)放大后
得到平均电流跟踪误差信号
Uca
再由
Uca
及三角锯½波信号
U
T
Us
通过比较
器比较得到
PWM
关断时刻
Uca
的波½与电流波½
Ui
反相 所以 是由
Uca
的下
斜坡 对应于开关器件导通时期 与三角波
U
T
Us
的上斜坡比较产生关断信号
显然 这就无½中增加了一定的斜坡补偿 为了避免次谐波振荡
Uca
的上斜坡不
½超过三角锯½波信号
U
T
Us
的上斜坡
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