0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

开关电源中控制算法(一)

jf_78858299 来源:21Dianyuan 作者:ee-training 2023-05-19 16:38 次阅读

这里使用“控制”一词用以描述电源构架中所包含的智能,它定义了电源面对干扰时保持输出恒定所采取的措施。换句话说,也就是电压调节的功能是如何具体实现的。

不可否认,在电源中还有许多其他功能也需要智能控制,如启动要求、过载保护、对外部指令的响应等,首先我们要了解的是电压调节。接下来会介绍随着时间推移而发展起来被广泛使用的各种控制算法,并比较它们的优点和局限性。但是,请记住,与电源大多数其他特性一样,对于任何给定的功能要求,没有一种单一的最佳方法。

本章内容:

  • 滞环控制
  • 恒定导通时间控制
  • 恒定关断时间控制
  • 电压模式控制

1

滞环控制

滞环控制是一种古老的控制方式,已经存在了很长一段时间,并且在某些应用中仍然很有用,它是最简单的,因此也是成本最低的控制方案。下图显示了一个基于滞环控制的电源拓扑构架和主要节点的工作波形。

图片

滞环控制的核心只是利用一个电压比较器,它将稳压器输出的检测结果与内部基准进行比较,如果输出电压太低,则打开电源开关管,如果太高则关闭电源开关管。该电路本质上是一个振荡器,其中比较器中的迟滞范围定义了开关管合适的高低阈值。输出电压的三角波纹波电压叠加于平均直流输出之上,因而该拓扑结构还有一个名称为“纹波调节器”。另一种描述称之为“hang bang"控制器,因为它在两个阈值之间振荡,在这些限值之间控制器不起作用。

这种控制方案的好处是:

  • 首要的——简单和成本低廉便宜(至少在理论上是这样);
  • 由于电路本身(本质上)是稳定的,因此不需要反馈回路,也不需要补偿网络
  • 开关管可以很容易实现开通和关断,所以只要将输出电压的跌落或过冲恢复到误差范围内,电路可以实现负载瞬变的快速响应。

但是,也有很多限制,包括:

  • 开关频率随输入和负载变化而变化。虽然有一些方法可以最大限度地减少这种变化,但它们增加了复杂性,同时仍然有局限。从另外的角度上来说,不太容易采用外部时钟信号对其进行同步控制;
  • 输出需要一定的电压纹波,如果减小纹波幅度则会导致阈值精度设定变得困难。同时输出纹波通常由电容的ESR提供,这限制了陶瓷电容的使用;
  • 比较器的转换对输出端的噪声敏感;
  • 在较高频率中,开关的内在延迟会增加输出电压纹波;
  • 为了防止磁饱和和电流过载需要增加额外的电路。

即使有这些限制,由于其对负载瞬变有着最快的响应速度,大家仍然对滞环控制产生浓厚的兴趣,并且人们已经想出很多方法来应对其局限性。下面所说的恒定导通时间控制即是其中之一。

2

恒定导通时间控制

这是另一种变频控制方案,如内部单稳态电路所定义的,它只有关断时间是可变的,而导通时间保持恒定。调节仍然是通过一个比较器来观察输出纹波电压,但它仅检测最小阈值来控制开关管关断时间用以启动下一个脉冲周期。恒定导通时间可以优化开关管栅极驱动,特别是电压需要一个低占空比时尤其有好处。只需要一个定时电路来设置最小关断时间限值即可以防止因多个脉冲引起的电感饱和,所以它还可以提高输出电感利用率。其典型的框图如下图所示。

图片

恒定导通时间算法有以下好处:

  • 这仍然是一个阈值驱动电路,天然稳定,无须回路补偿;
  • 只需要很少量的外部元件;
  • 对负载突变能快速响应;
  • 轻载时,允许延长关断时间以维持高效率;
  • 增加输入电压前馈以改变单次定时时间可以帮助稳定开关频率。

但是仍然有局限性:

  • 频率不是恒定的,同样,与外部时钟同步是很困难的;
  • 仍需要一些输出电压纹波,通常由电容ESR提供,所以也限制了陶瓷电容的使用;
  • 一样对输出端噪声敏感;
  • 需要单独的功能来实现过电流保护。

3

恒定关断时间控制

既然能对SMPS进行恒定导通时间控制,相反地,同样可以用一个恒定关断时间,可变导通时间(仍然是变频)的算法来达到相同的目的。但是这个控制算法存在许多严重的问题。最大的问题是,在轻载情况下,开关频率不得不增加,功率脉冲宽度必须减小,这两者都会造成严重的性能损失。所以有了这些限制,它并没有其他明显的优势,故实际上也很少采用,这里就不再继续介绍这种控制算法。

4

电压模式控制

在最开始,这种控制方式没有名字,它是开关电源的最早控制形式,那时候没有什么其他控制方式可以对比,所以也没有必要命名。但随着电流模式控制的引入,电压模式成为该架构的默认名称,它现在仍是参照标准和最广泛使用的控制方案。这也是PWM开关稳压器基本推导的控制算法。其控制框图和工作情况如下图所示。

图片

首先要注意的是,它包含一个内部时钟以产生固定频率,但也可以同步外部时钟。通过以一定间隔时间设定锁存器来打开开关管,这样可以得到恒定的开关频率。这个定时振荡器还提供了一个斜坡电压,这是通过对电容的充电和放电实现的,它用来作为PWM比较器的参考波形。误差放大器将稳压器的输出检测电压与内部基准电压进行比较,比较器会产生一个模拟误差信号,这个误差信号作为PWM比较器的输入,并进一步将其与斜坡电压进行比较,当斜坡电压超过模拟误差信号时,开关管关断。在一定的限值范围内,这是一个线性模拟控制系统,可以用传统的反馈控制理论来分析稳定性、准确性和响应特性。

电压模式控制的优点包括:

  • 历史悠久,自1975年面市以来,有大量集成电路控制器可供选择;
  • 固定频率工作;
  • 通过一个容易实现的反馈补偿网络就可以实现精确控制;
  • 所有模拟信号都远离功率开关管,因此具有很好的抗噪声能力;
  • 能够提供一个低阻抗的电压源输出。

事物都有两面性,电压模式控制也有一些局限性:

  • 响应时间受限于输出滤波器中的双极点,并需要将控制带宽限制在远低于开关频率处;
  • 输出电容的参数会影响补偿;
  • 负载变化,系统从CCM变换到DCM时也会影响稳定性;
  • 环路增益随VIN变化,但可通过使用电压前馈使斜坡斜率与VIN成比例,并因此简化环路补偿计算。
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 振荡器
    +关注

    关注

    28

    文章

    3756

    浏览量

    138473
  • 电源开关
    +关注

    关注

    12

    文章

    1015

    浏览量

    44208
  • 电压比较器
    +关注

    关注

    18

    文章

    215

    浏览量

    37422
  • 滞环控制
    +关注

    关注

    1

    文章

    13

    浏览量

    17517
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    开关电源同步整流控制的优势

    的电路功率消耗,以满足6级能效要求。  开关直流电源如何同步整流?开关电源同步整流是种取代整流二极管的新技术。它可以通过在直流模式下使用极低的电阻功率来减少整流器的损耗,有效提高转换
    发表于 10-12 10:18

    请问开关电源的稳压和稳流般用什么算法,PI控制吗?

    请问开关电源的稳压和稳流般用什么算法,PI控制吗?
    发表于 04-28 13:59

    开关电源的电流型控制模式

    开关电源的电流型控制模式 讨论了开关电源电流反馈控制模式的工作原理、优缺点,以及与之有关的
    发表于 04-13 08:48 85次下载

    开关电源的基本控制原理

    开关电源的基本控制原理 开关电源控制结构:般地,
    发表于 05-12 20:46 2595次阅读
    <b class='flag-5'>开关电源</b>的基本<b class='flag-5'>控制</b>原理

    开关电源的电流型控制模式

    开关电源的电流型控制模式 摘要:讨论了开关电源电流反馈控制模式的工作原理
    发表于 07-14 09:17 5530次阅读
    <b class='flag-5'>开关电源</b><b class='flag-5'>中</b>的电流型<b class='flag-5'>控制</b>模式

    控制开关电源通/断电路

    控制开关电源通/断电路 图 控制开关电源通/断电路 用ON激活方式控制开关电源通/
    发表于 07-17 09:00 5163次阅读
    <b class='flag-5'>控制</b><b class='flag-5'>开关电源</b>通/断电路

    开关电源控制环关系

    开关电源的相关知识学习教材资料——开关电源控制环关系
    发表于 09-20 15:44 0次下载

    种新型开关电源的PWM控制

    本文主要介绍了种新型开关电源的PWM控制的设计,SG3525是电流控制型PWM控制器,脉宽控制
    发表于 12-22 15:56 2w次阅读
    <b class='flag-5'>一</b>种新型<b class='flag-5'>开关电源</b>的PWM<b class='flag-5'>控制</b>

    TI基于DSP2407的开关电源的设计与实现

    采用数字信号处理器设计了开关电源。介绍了开关电源的构成及其控制方式:描述了tms320LF2407的结构特点及其在开关电源
    发表于 04-09 10:44 3次下载
    TI<b class='flag-5'>中</b>基于DSP2407的<b class='flag-5'>开关电源</b>的设计与实现

    开关电源控制芯片的组成

    开关电源控制芯片是开关电源里面有的种芯片,在开关电源问世之前以前都是线性电源
    的头像 发表于 07-15 10:10 1.5w次阅读
    <b class='flag-5'>开关电源</b><b class='flag-5'>控制</b>芯片的组成

    基于PWM控制器的开关电源的设计

    基于PWM控制器的开关电源的设计(开关电源技术综述课题)-基于PWM控制器KA7500B的开关电源的设计
    发表于 09-29 15:22 111次下载
    基于PWM<b class='flag-5'>控制</b>器的<b class='flag-5'>开关电源</b>的设计

    开关电源常用控制芯片有哪些?

    开关电源常用控制芯片有哪些?  开关电源是近年来广泛应用于电子设备电源类型,与传统的变压
    的头像 发表于 08-18 14:07 9717次阅读

    开关电源pwm控制的基本原理

    开关电源pwm控制的基本原理 随着电力需求的不断增加,电源管理技术愈加重要。开关电源作为种高效能、可靠性高的
    的头像 发表于 09-02 10:25 4075次阅读

    滤波器在开关电源的应用

    滤波器在开关电源的应用 开关电源种将输入电压转换为所需输出电压的电源,它通过快速开关
    的头像 发表于 01-11 15:59 852次阅读

    开关电源的电流模式控制

    电子发烧友网站提供《开关电源的电流模式控制.pdf》资料免费下载
    发表于 09-07 10:35 0次下载
    <b class='flag-5'>开关电源</b><b class='flag-5'>中</b>的电流模式<b class='flag-5'>控制</b>