开关电源中控制算法（一）

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

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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。

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。

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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。

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。

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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。

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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。

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。