开关电源的控制模式知识合集

众所周知，开关电源知识点众多，包括拓扑结构，控制方法，器件，安规认证等等，每一个类别又可细化为更多的分枝。

这其中的控制方法又是其中非常重要的一个技术点，由于没有一种控制模式适合每种应用，为了回答关于哪种控制方式最适合特定应用的问题，必须首先了解每种方法的优缺点。

那我们在业界中有哪些常见的控制方法？查阅一些文献和业界主流半导体厂商推出的开关电源控制器以后，我们可以发现有以下这些：

• 电压控制型
• 具有电压前馈的电压模式
• 峰值电流模式
• 模拟电流模式
• 具有内部补偿的高级电流模式
• 滞环控制模式
• 恒定导通时间模式
• 带模拟波纹的固定导通时间控制
• D-CAP
• D-CAP2
• D-CAP3

这是个很大的话题，从今天开始我们会逐一简单介绍，首先介绍最常见的 电压控制模式和电流控制模式 ：

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电压控制模式

电压控制模式是最成熟的控制方式，业界也推出了一系列的基于此模式的控制器。基本电压模式配置如图1所示。

图1. 电压模式控制

该设计的主要特点是只有一条电压反馈路径，通过将电压误差信号与恒定的斜坡波形进行比较来执行脉冲宽度调制。限流必须增加单独电路进行控制。

电压模式控制的优点是：

1）单个反馈回路更易于设计和分析。

2）大幅度的斜坡波形为稳定的调制过程提供了良好的噪声抗干扰特性。

3）低阻抗电源输出可为多个输出电源提供更好的交叉调节特性。

电压模式的缺点为：

1）输入电压或负载的任何变化都必须首先感测为输出变化，然后通过反馈环路进行校正。这通常意味着反应速度较为缓慢。

2）输出滤波器在控制环路上增加了两个极点，这要求误差放大器上的主极点频率较降或在补偿器中增加零点。

3）由于环路增益随输入电压而变化，因此补偿需要更加复杂。

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电流控制模式

上述缺点相对显着，并且由于所有这些都可以通过电流模式控制得到缓解，因此设计人员极有动力在引入此拓扑时考虑该拓扑。基本电流模式控制中仅将振荡器用作固定频率时钟，并且将斜波波形替换为从输出电感电流处得出的信号。

此控制方法的优点包括：

1）由于电感器电流以由(Vin-Vo)确定的斜率上升，因此该波形将立即响应输入输出的电压变化，从而消除了延迟响应和增益随输入电压变化的变化。

2）由于现在使用误差放大器来控制输出电流而不是电压，因此将输出电感的影响降至最低，并且滤波器现在仅向反馈环路提供了一个极点（至少在正常区域内）。与可比较的电压模式电路相比，这可以实现更简单的补偿和更高的增益带宽。

3）电流模式电路的其他好处包括仅通过钳位误差放大器即可实现固有的逐脉冲电流限制，并且在并联多个功率单元时易于提供负载共享。

尽管电流模式提供的改进令人印象深刻，但该技术还具有其自身独特的缺点，这些问题必须在设计过程中加以解决。下面概述了其中一些：

1）现在有两个反馈回路，使电路分析更加困难。

2）除非添加斜率补偿，否则当占空比超过50％时，控制环路将可能变得不稳定。

3）由于控制调制基于来自输出电流的信号，因此功率级中的谐振会将噪声插入控制环路。

4）特别麻烦的噪声源是前沿电流尖峰，通常由变压器绕组电容和输出整流器恢复电流引起。

5）随着控制回路强制电流驱动，负载调节变得更糟，并且需要耦合电感器才能获得可接受的多输出交叉调节。

因此，从以上我们可以得出结论，尽管电流模式控制将缓解电压模式的许多局限性，但它也给设计人员带来了新的挑战。但是，随着从功率控制技术的最新发展中获得的知识，对电压模式控制的重新评估表明，存在替代方法可以纠正其主要弱点。

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再谈电压模式

对电压模式控制的两个主要改进是：

1）电压前馈消除了输入电压变化的影响；

2）以及更高的开关频率，允许将输出滤波器的极点放置在正常控制环路带宽范围之上。

电压前馈是通过使斜坡波形的斜率与输入电压成比例来实现的。这样就提供了相应的校正占空比调制，而反馈环路则无需采取任何措施。结果是恒定的控制环路增益和对线电压变化的瞬时响应。

更高的频率能力是通过对该IC使用更好的工艺来处理实现，从而产生较小的寄生电容和较低的电路延迟。因此，电压模式的许多问题已得到缓解，而不会引起电流模式的困难。

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如何选择电路控制模式

上面的讨论都不会给人留下这样的印象，即不再有电流模式控制的地方，两种拓扑在当今环境中都是可行的选择。有一些考虑可能会指出一个或另一个对于每个特定应用程序来说是最佳的。

在以下情况下，可以考虑使用电流模式：

1）电源输出应为电流源或很高的输出电压。

2）在给定的开关频率下，需要最快的动态响应。

3）该应用适用于输入电压变化相对受限制的DC/ DC转换器。

4）模块化应用，其中需要负载共享的并行性。

5）在推挽电路中，变压器磁通平衡很重要。

6）在需要绝对最少元器件的低成本应用中。

如果满足以下条件，可以考虑电压模式（带前馈功能）：

1）输入电压或输出负载的变化范围可能很大。

2）特别是在低输入电压-轻负载条件下，电流斜坡斜率太浅而无法稳定PWM操作（如果电流模式很难设计斜坡补偿）。

3）高功率或噪声干扰大的应用，其中电流波形上的噪声将难以控制。

4）需要具有相对较好的交叉调节的多个输出电压。

5）饱和电抗器控制器将用作辅助次级侧调节器。

6）应避免双反馈环路或斜率补偿复杂的应用。