开关电源变换器电压模式的工作原理及特点

《精通开关电源设计》原书作者Sanjaya于2016年4月在中国的各大城市巡回做电源技术的培训，其中，Sanjaya对于电压模式的工作方式特别推崇，虽然在实际的应用中，电流模式仍然占据着主导的作用。那么，我们就认识一下这些工作模式，除了常规的电压模式和峰值电流模式之外，还包括其它类型的电压和电流模式。

电压模式和电流模式是开关电源系统中常用的两种控制类型。在开关电源系统中，当输入电压变化、输出负载变化以及电源内部的参数变化时，控制电路将检测被控制的电压及电流信号，将它们与基准信号进行比较，然后将差值放大，进行闭环反馈控制，以调节主电路功率器件的导通脉冲宽度或开关频率，从而保证系统的输出电压或输出电流等被调节信号的稳定。

开关电源有PFM和PWM两种控制方式：PFM工作在变频方式，通过调节工作频率保持输出电压或输出电流的恒定。PWM工作在固定频率，通过调节脉冲宽度，即占空比，保持输出电压或输出电流的恒定。电源系统中，电压的取样信号有输入电压和输出电压，而电流的取样有功率电感的直流压降、电流取样电阻电压和和功率MOSFET的导通压降等，由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流或恒功率的控制，同时可以实现过压欠压保护、过流保护、均流、输出电压排序跟踪等附带的功能。

1 通用电压模式的工作原理及特点

电压模式的控制系统如图1所示。控制环仅有一个的电压反馈环，电压反馈环包括电压误差放大器、反馈分压电阻器和反馈补偿网络。电压误差放大器的同相端连接到参考电压Vref，反馈分压电阻器连接到电压误差放大器的反相端FB，反馈补偿网络连接到反相端FB和电压误差放大器的输出端COMP，输出端COMP的电压为Vc。电压误差放大器的输出连接到PWM比较器的同相端，PWM比较器的反相端输入信号为斜波发生器输出的连续锯齿波，由时钟同步信号产生。

图1：电压模式的控制系统图

图2：电压模式的控制波形

1.1 电压模式工作过程

   电压模式的工作过程有二个阶段：

（1）时钟振荡器输出脉冲信号为高电平，高端的开关管导通，开始一个开关周期，电感所加的电压为正，电感激磁，电流线性上升。由于锯齿波的电压低于Vc的电压，PWM比较器输出低电压。

（2）当锯齿波的电压增加到高于Vc的电压时，PWM比较器输出翻转，高端的开关管关断，低端的同步MOSFET或续流二极管导通，电感所加的电压为负，电感去磁，电流线性下降。直到下一个开关周期开始的时钟同步信号到来，如此反复。

1.2 调节工作原理

   电压模式调节原理如下：

（1）当输出负载增大时，输出电压降低，Vc增大，锯齿波的电压只有增加到更高的值才能够和Vc相等，从而使PWM比较器翻转，因此，开关管导通的时间增长，占空比增加，输入功率增加，因此输出电压增加，当输出电压增加到调节的范围内时，系统保持平衡。

（2）当输出负载降低时，输出电压升高，Vc降低，锯齿波的电压在较低的值就可以等于Vc值，从而使PWM比较器翻转，因此，开关管导通的时间缩短，占空比降低，输入功率降低，因此输出电压降低，当输出电压降低到调节的范围内时，系统保持平衡。

电压误差放大器的作用是检测缓慢变化的输出直流电压信号的微小变化，输入到FB管脚，FB管脚的电压V-与参考电压Vref的差值被电压误差放大器放大输出，输出Vc为具有一定幅值的比较干净的直流低频反馈控制信号，开关电源输出附带的较宽频带的高频开关噪声信号被滤除，从而保证输出稳态时的稳压精度。

高频开关噪声的频率较高，幅值较大，如果高频开关噪声衰减不够的话，系统容易受到干扰，不能稳定工作；但是高频开关噪声衰减过大的话，系统的带宽窄，动态响应较慢，因此要做一些折衷的设计，要保持电压误差放大器的低频增益高，高频增益低，可以通过对整个闭环系统进行补偿，使得闭环系统稳定工作。

1.3 外加限流保护

从电压模式工作原理可以看到，系统没有内置的限流功能保护电路，同时，对于输入和输出的瞬变变化，系统响应缓慢。当输入电压突然变低或负载阻抗突然变低时，因为主电路有较大的输出电容和电感，电容与电感产生相移延时作用，输出电压的变低也延时滞后，输出电压变低的信号还要经过电压误差放大器的补偿电路的延时滞后，才能传到PWM比较器，将脉宽变宽，这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。为了提高系统的可靠性，必须外加限流保护电路，注意到限流保护电路只起限流的作用，并不参与系统的内部的反馈调节。

1.4 电压模式优缺点

   电压模式的优点：

（1）由于电流信号不参与反馈，系统不会受到电流噪声的干扰。

（2）PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声性能。

（3）占空比调节不受限制。

（4）对于多路输出电源，它们之间的交互调节性能较好。

（5）单一电压闭环反馈设计，调试比较容易。

（6）对输出负载的变化有较快的响应。

（7）低的输出阻抗。

电压模式的缺点：

（1）单反馈环控制系统，输出LC滤波器在控制环中产生双极点，动态响应慢，需要增加一个零点对主极点进行补偿，因此反馈补偿设计比较复杂，需要更多额外的器件仔细设计补偿环路，来优化负载瞬态响应。

环路增益是输出电容ESR的函数，输出电容影响反馈环，需要电解电容或钽电容稳定控制回路以维持良好的高频响应；在相同均方根工作电流的需求下，相同电容值的电解电容或钽电容比陶瓷电容的体积更大，同时输出电压的波动也更大。

环路的增益是输入电压的函数,对输入电压的变化动态响应较慢，需要输入电压前馈。

电压模式的反馈设计通常选取穿越频率为1/5-1/10的开关频率，环路补偿采用III类补偿网络：3个极点和2个零点，2个零点安排在LC谐振双极点附近，以抵消双极点产生的相位延迟；低频积分电路用以提高低频的直流增益，2个高频极点以产生高频噪声衰减，保证在0dB穿越频率以上环路增益保持下降。

（2）用于限流控制的电流检测缓慢不准确。

（3）如果多个电源和多个相位并联操作,需要外部电路进行均流控制。

1.5 电压模式动特性改善

改善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宽，保证具有一定的高频增益，但是这样容易受到高频开关噪声干扰，需要在主电路及反馈控制电路上采取措施，进行抑制或同相位衰减平滑处理。另一方法是采用电压前馈技术，用输入电压对电阻电容充电产生的具有可变化上升斜坡的三角波，取代传统电压模式PWM控制器中振荡器产生的固定三角波。此时，输入电压的变化能立刻在脉冲宽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，这样就构成了一个开环和一个闭环的双环控制系统。 

2  滞回电压模式的工作原理及特点

滞回电压模式的结构如图3所示，滞回电压控制模式一种最简单的控制方法，控制环包括两个部分：分压电阻器和滞回比较器。分压电阻器用于检测输出纹波电压，滞回比较器用于控制功率开关管的开通和关断。主功率回路工作在自由振荡方式，电路调节输出电压并保持输出电压在参考电压和比较器所设定的滞回窗口电压范围内。

滞回电压模式工作过程如下：

（1）当输出电压降低时，比较器的反相端的电压也降低，当反相端低于Ｖref-dＶ/2时，比较器输出高电平，开关管导通，输出电压增加。

（2）当输出电压继续增加，使比较器的反相端高于Ｖref+dＶ/2时，比较器的输出翻转，输出低电平，开关管关断。如此反复。其控制波形如图4所示。

滞洄电压模式的优点：

（1）滞回电压模式没有反馈环，因此不需要补偿设计，延时通常和补偿网络中的电容相关，滞回电压模式没有补偿网络，所以，误差信号也就没有补偿网络产生的延时，也不会产生补偿网络中电容充放电形成的不正常的电压所带来的不利影响。

（2）响应快。滞回电压模式能够在当前的周期非常快的响应负载电流的瞬态变化，响应的时间只取决于滞洄比较器的驱动电路的延时。

（3）最简单的一种控制方法。

滞洄电压模式的缺点：

（1）工作在变频工作方式，频率变化范围宽时，不利于电感的优化设计。

（2）开头频率依赖于输出的滤波器、输入电压和输出电压、滞回窗口电压和内部的延时。

图3：滞回电压模式的控制系统图

图4：滞回电压模式的控制波形

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