开关电源是如何自主控制的

4. LLC谐振变换器

LLC谐振变换器，顾名思义是由两个电感L和一个电容C构成关键器件，并通过LC谐振实现能量的传输。 LLC也属于离线式变换器，输入输出由变压器隔离。

图15 LLC串联谐振变换器

LLC需要两只开关管交替工作。 Q1和Q2互补导通，且占空比固定为50%。 因此与前三种拓扑的PWM控制方式不同，LLC并不是通过控制占空比大小来控制输出的，而是通过调节方波的频率实现的，这种控制方式称为脉冲频率调制(PFM，Pulse Frequency Modulation)。 LLC的控制时序和方式较为复杂，这里不做详述，感兴趣的朋友直接百度即可。

在前三种变换器拓扑中，开关管的导通都是在开关管两端存在电压的情况下完成的，由于导通的过程并不是理想的“瞬时导通”，开关管两端的电压是以一定的斜率降为零。 在下降的过程中，电压与电流形成交集，这个交集便是损耗，称为开关损耗。 开关损耗是开关电源主要损耗之一，且随着开关频率越高，开关损耗越大。 这种开关方式称为硬开关。

图16 硬开关导致的导通损耗

由于LC谐振电压和电流存在相位差，开关管在谐振过程中，可以在巧妙地避开电压和电流的交集，从而避免一部分导通损耗。 这种避开电压和电流交集而开通的技术，成为软开关技术，即零电流开通ZVS(Zero Voltage Switch)。

图16 零电压开通ZVS

LLC的结构和控制方式都较为复杂，因此并不适用于小功率或低成本的产品。 另外，LLC在原理上只能设计一个最佳工作点，离开这个工作点，效率就会变差。 对于输出范围较宽的应用(多个工作点)，LLC拓扑也不太适用。

除了以上四种的拓扑，还有一些衍生拓扑或新型拓扑，如四管Buck-Boost，Forward正激，Sepic拓扑等等。 篇幅限制我们这里不再详述。 需要特别说明一下四管Buck-Boost电路，它是Buck和Boost电路的结合后的衍生电路。 四管Buck-Boost能够同时实现升压和降压的功能，因此在很多应用中都可能看到它的身影。

开关电源是如何自主控制的

至此我们简单介绍了开关电源的常用拓扑及其控制方式。 我们已经了解到，控制开关电源的关键就是控制开关管的工作。 但是到目前为止我们还没有提到它们是如何实现自动控制的。 自动控制是一门独立的学科，涉及到系统建模，模型分析，环路增益补偿等内容。 显然笔者不会在这里介绍这些令人昏昏欲睡的知识，这会使大家望而却步。 接下来我们会以最简单明了的方式，解释开关电源是如何实现自动控制的。

一个系统要实现自我控制，就必须进行自我反馈。 “反馈”是自动控制的基石。 一个人对一件事缺乏反馈，就不清楚这件事的结果是否符合预期，也无法做出及时的矫正。 开关电源没有反馈，就不会获知其输出是否是我们要求的结果。 反馈的本质，就是对输出的内容进行采样，并反映到控制上来，形成一个完整的闭环，最终使系统稳定。

我们以Buck电路为例解释一下反馈的原理及自动控制的过程。

图17 具有反馈环路的Buck电路

这里用蓝色部分表示控制环路。 控制环路主要是由采样网络、补偿网络、PWM比较器组成。 采样网络采样输出电压，经过一系列调整，输出控制信号给开关管，形成完整的控制闭环。

工程师在设计电路时，会根据设计需求，在控制器中写入参考电压Vref。 这个参考电压与需求的输出电压相关，假设我们要求这个Buck是一个稳定5V输出电路，那么参考电压就设定为5V，即Vref=5V。

采样电压Vs和参考电压Vref相减，便是实际输出值与我们设定值的误差值Ve。 这个误差经过补偿网络进行补偿后，与锯齿波比较后，输出方波，进而控制开关管的导通和关断。

当输出电压Vo与设计电压Vref误差增大时，控制电压Vc增大，比较后的方波占空比D减小，根据Vo=Vin*D，使输出电压减小。 最终实现Vo稳定在Vref附近。

图18 PWM脉冲宽度调制原理

补偿网络的作用，是对误差信号进行适当的幅度和相位的补偿。 补偿的目的是保证电路的稳态性能和动态性能。 让我们以手动调节水温为例子，解释一下稳态性能和动态性能。 我们在洗手时，往往希望通过左右调节水龙头来控制水温。 而实际的水温可能总是和我们预期的温度(Vref)有一个偏差，这个稳定的偏差，就是稳态误差。 另外一个令人恼火的现象，就是调节水温时，总是要么太热，要么太冷，水温总是比我们调节措施有所滞后(相位滞后)，这个动态调节的滞后表现，就是动态性能。 在这样的情况下，我们和水龙头组成的这个“系统“，稳态性能和动态性能都很差。

稳态误差和动态滞后是我们不希望看到的结果。 补偿网络可以很好的解决稳态和动态的问题。 对于这个例子，我们可以经过训练提升自己准确调节水温的能力，本质上，这就是在大脑中建立了良好的补偿网络。

开关电源的补偿网络同样是为了保证输出电压与预期设定相匹配，不仅能够减小稳态误差，也能够在负载突然变化时，保证系统快速响应。

至此，整个开关电源就能实现自我控制了。

在实际设计中，随着集成电路的发展，部分控制环路和开关电源电路都集成到了IC中。 比如下边这个Buck控制器，将开关管，二极管，控制环路都集成在了一起。 简化了工程师的设计难度，补偿网络可以通过CMP引脚设置，还增加了使能引脚(EN)来使能控制电路的IC。

图20 Buck集成PWM控制

产品中的开关电源

毫不夸张地说，几乎任何需要用电的产品都需要开关电源。 有些产品中，开关电源仅作为供电系统，如手机的电池管理系统(BMS); 有些产品则完全是以开关电源设计的，如电源适配器，充电宝等。 我们以电源适配器来介绍一下在产品中，开关电源是如何发挥作用，为用户带来价值的。

如前面提到的，开关电源的拓扑需要根据实际使用场景和需求来选择。 电源适配器是将电网110V~220V左右(我国电网电压为220V交流电; 一些国家或地区为110V交流电)的高压交流电，利用开关电源转化成设备所需的低压直流电。 考虑到安全，电源适配器需采用隔离型拓扑。

对于65W及以下的电源适配器，通常采用flyback拓扑，这种方案使用器件较少，具有较高的成本优势。 对于大于100W的适配器或者多输出口的适配器，通常采用LLC拓扑，这是因为flyback在大功率输出时效率较差，无法满足产品对于温升和能效的要求。

下面是常见的Type-C 65W适配器采用QR flyback的简化电路图。 电网电压的交流电通过整流桥整流成直流电，再经过EMI滤波器流入flyback输入端。 EMI滤波器的作用是阻隔EMI干扰。 IEC(国际电工委员会)对于电源适配器的EMI辐射(RE)和(CE)有限制要求，这是为了防止开关电源适配器在工作时对周边其他设备(辐射)或电网(传导)产生干扰。 因此，上市的产品必须满足法规对于EMI的限制。

图21 电源适配器的电路结构

Type-C电源适配器在实施正常供电之前，需要适配器端和设备端的协议控制器进行握手沟通，沟通的协议就是我们所熟知的快充协议，如PD协议，QC协议等等。 沟通成功后，适配器才会根据沟通好的电压和功率为设备提供电能。 电压采样的工作是由协议控制器完成的，它会将采样结果通过光耦反馈给PWM控制器，实现电路的自动控制。

光耦起到了“桥接”的作用。 我们提到，隔离型变换器输入和输出是“不共地”的，因此协议控制器的输出不能直接连接到PWM控制器，否则两端的“地”就连在了一起。

随着第三代功率半导体材料的兴起，尤其是GaN材料在适配器中的应用，适配器的小型化成为了产品设计的重要趋势之一。 如何在满足安规，EMC，保证用户体验的基础上，设计高性价比，体积小巧的电源适配器，是各家厂商绞尽脑汁想要解决的问题。

适配器的EMI(传导和辐射)和效率是设计中遇到的两个重要难点。 二者相互扮演着“跷跷板“的角色。 为了有效的抑制产品的电磁辐射和传导干扰，需要增加额外的EMI滤波器，这些滤波器件的寄生电阻反过来降低了开关电源的转化效率。 通常，对于产品小型化，效率都有很高要求的产品，会采用一些其他方式，从噪声源和传播路径上消除EMI的干扰。 如抖频技术、变压器辅助绕组抑制、优化layout环路和寄生参数等方式。

集成电路的发展推动着开关电源产品的迭代和更新。 如今的电源产品已经不是各个独立器件“搭“成的电路。 而是由几个合封或集成的IC组成，这种方式简化了工程师的设计难度，更重要的是，集成电路可以最大限度减小电路的寄生参数，降低EMI，提升效率。

图22 EMI和效率的关系

如Cypress的“PAG1P+PAG1S”的方案，将PWM控制器，辅助电路整合到PAG1P中，将SR控制器、协议控制器以及其他辅助电路整合到了PAG1S中，基本上实现了两颗IC控制反激电路，这有助于提升产品的功率密度。

图23 Cypress的“PAG1P+PAG1S”方案

另外一些小功率应用中，会把电路中的开关管也集成到IC中，这种方式比分立器件更有价格优势。 但是由于开关管属于功率器件，如果没有较好的散热措施，或者使用环境温度较高，抑或者合封IC的封装太小，都会使电路设计面临散热方面的挑战。 工程师设计前期就应当考虑合封器件散热的问题。