【導(dǎo)讀】定頻調(diào)寬的PWM閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)主要有五種PWM反饋控制模式，本文對(duì)這五種不同的PWM反饋控制模式進(jìn)行了匯總，分析了其工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用要點(diǎn)，以及不同的PWM反饋控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)，工程師在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。
PWM開關(guān)穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化的情況下，控制電路通過被控制信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號(hào)穩(wěn)定。PWM的開關(guān)頻率一般為恒定，控制取樣信號(hào)有：輸出電壓、輸入電壓、輸出電流、輸出電感電壓、開關(guān)器件峰值電流。由這些信號(hào)可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)一些附帶的過流保護(hù)、抗偏磁、均流等功能。對(duì)于定頻調(diào)寬的PWM閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，主要有五種PWM反饋控制模式。下面以VDMOS開關(guān)器件構(gòu)成的穩(wěn)壓正激型降壓斬波器為例說明五種PWM反饋控制模式的發(fā)展過程、基本工作原理、詳細(xì)電路原理示意圖、波形、特點(diǎn)及應(yīng)用要點(diǎn)，以利于選擇應(yīng)用及仿真建模研究。
五種開關(guān)電源PWM反饋控制模式
1.電壓模式控制PWM(VOLTAGE-MODECONTROLPWM)：
如圖1所示為BUCK降壓斬波器的電壓模式控制PWM反饋系統(tǒng)原理圖。
電壓模式控制PWM是六十年代后期開關(guān)穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展起就采用的第一種控制方法。該方法與一些必要的過電流保護(hù)電路相結(jié)合，至今仍然在工業(yè)界很好地被廣泛應(yīng)用。電壓模式控制只有一個(gè)電壓反饋閉環(huán)，采用脈沖寬度調(diào)制法，即將電壓誤差放大器采樣放大的慢變化的直流信號(hào)與恒定頻率的三角波上斜波相比較，通過脈沖寬度調(diào)制原理，得到當(dāng)時(shí)的脈沖寬度，見圖1A中波形所示。逐個(gè)脈沖的限流保護(hù)電路必須另外附加。
主要缺點(diǎn)是暫態(tài)響應(yīng)慢。當(dāng)輸入電壓突然變小或負(fù)載阻抗突然變小時(shí)，因?yàn)橛休^大的輸出電容C及電感L相移延時(shí)作用，輸出電壓的變小也延時(shí)滯后，輸出電壓變小的信息還要經(jīng)過電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路延時(shí)滯后，才能傳至PWM比較器將脈寬展寬。這兩個(gè)延時(shí)滯后作用是暫態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。圖1A電壓誤差運(yùn)算放大器(E/A)的作用有三：①將輸出電壓與給定電壓的差值進(jìn)行放大及反饋，保證穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)壓精度。該運(yùn)放的直流放大增益理論上為無窮大，實(shí)際上為運(yùn)放的開環(huán)放大增益。②將開關(guān)電源主電路輸出端的附帶有較寬頻帶開關(guān)噪聲成分的直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ǚ档谋容^“干凈”的直流反饋控制信號(hào)(VE)。即保留直流低頻成分，衰減交流高頻成分。因?yàn)殚_關(guān)噪聲的頻率較高，幅值較大，高頻開關(guān)噪聲衰減不夠的話，穩(wěn)態(tài)反饋不穩(wěn)；高頻開關(guān)噪聲衰減過大的話，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。雖然互相矛盾，但是對(duì)電壓誤差運(yùn)算放大器的基本設(shè)計(jì)原則仍是“低頻增益要高，高頻增益要低”。③對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行校正，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
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電壓模式控制的優(yōu)點(diǎn)：①PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗噪聲裕量；②占空比調(diào)節(jié)不受限制；③對(duì)于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好；④單一反饋電壓閉環(huán)設(shè)計(jì)、調(diào)試比較容易；⑤對(duì)輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：①對(duì)輸入電壓的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢；②補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)本來就較為復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化使其更為復(fù)雜；③輸出LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點(diǎn)，在補(bǔ)償設(shè)計(jì)誤差放大器時(shí)，需要將主極點(diǎn)低頻衰減，或者增加一個(gè)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償；④在傳感及控制磁芯飽和故障狀態(tài)方面較為麻煩復(fù)雜。
改善加快電壓模式控制瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法有二：一是增加電壓誤差放大器的帶寬，保證具有一定的高頻增益。但是這樣比較容易受高頻開關(guān)噪聲干擾影響，需要在主電路及反饋控制電路上采取措施進(jìn)行抑制或同相位衰減平滑處理。另一方法是采用電壓前饋模式控制PWM技術(shù)，如圖1B所示。用輸入電壓對(duì)電阻電容(RFF、CFF)充電產(chǎn)生的具有可變化上斜波的三角波取代傳統(tǒng)電壓模式控制PWM中振蕩器產(chǎn)生的固定三角波。因?yàn)榇藭r(shí)輸入電壓的變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來，因此該方法對(duì)輸入電壓的變化引起的瞬態(tài)響應(yīng)速度明顯提高。對(duì)輸入電壓的前饋控制是開環(huán)控制，目的為了增加對(duì)輸入電壓變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。對(duì)輸出電壓的控制是閉環(huán)控制。因而，這是一個(gè)有開環(huán)和閉環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制系統(tǒng)。
2.峰值電流模式控制PWM(PEAKCURRENT-MODECONTROLPWM)：
峰值電流模式控制簡稱電流模式控制，它的概念在六十年代后期來源于具有原邊電流保護(hù)功能的單端自激式反激開關(guān)電源。在七十年代后期才從學(xué)術(shù)上作深入地建摸研究。直至八十年代初期，第一批電流模式控制PWM集成電路的出現(xiàn)使得電流模式控制迅速推廣應(yīng)用。主要用于單端及推挽電路。近年來，由于大占空比時(shí)所必需的同步不失真斜坡補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難度及抗噪聲性能差，電流模式控制面臨著改善性能后的電壓模式控制的挑戰(zhàn)。因?yàn)檫@種改善性能的電壓模式控制加有輸入電壓前饋功能，并有完善的多重電流保護(hù)等功能，在控制功能上已具備大部分電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)，而在實(shí)現(xiàn)上難度不大，技術(shù)較為成熟。
當(dāng)處于空載狀態(tài)，輸出電流為零并且斜坡補(bǔ)償信號(hào)幅值比較大的話，峰值電流模式控制就實(shí)際上變?yōu)殡妷耗Ｊ娇刂屏恕７逯惦娏髂Ｊ娇刂芇WM是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)控制電流內(nèi)環(huán)。電流內(nèi)環(huán)是瞬時(shí)快速的，是按照逐個(gè)脈沖工作的。
功率級(jí)是由電流內(nèi)環(huán)控制的電流源，而電壓外環(huán)控制此功率級(jí)電流源。在該雙環(huán)控制中，電流內(nèi)環(huán)只負(fù)責(zé)輸出電感的動(dòng)態(tài)變化，因而電壓外環(huán)僅需控制輸出電容，不必控制LC儲(chǔ)能電路。由于這些，峰值電流模式控制PWM具有比起電壓模式控制大得多的帶寬。
峰值電流模式控制PWM的優(yōu)點(diǎn)是①暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對(duì)輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化的瞬態(tài)響應(yīng)均快；②控制環(huán)易于設(shè)計(jì)；③輸入電壓的調(diào)整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術(shù)相妣美；④簡單自動(dòng)的磁通平衡功能；⑤瞬時(shí)峰值電流限流功能，內(nèi)在固有的逐個(gè)脈沖限流功能；⑥自動(dòng)均流并聯(lián)功能。
缺點(diǎn)是①占空比大于50%的開環(huán)不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差；②閉環(huán)響應(yīng)不如平均電流模式控制理想；③容易發(fā)生次諧波振蕩，即使占空比小于50%，也有發(fā)生高頻次諧波振蕩的可能性。因而需要斜坡補(bǔ)償；④對(duì)噪聲敏感，抗噪聲性差。因?yàn)殡姼刑幱谶B續(xù)儲(chǔ)能電流狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流電平相比較，開關(guān)器件的電流信號(hào)的上斜波通常較小，電流信號(hào)上的較小的噪聲就很容易使得開關(guān)器件改變關(guān)斷時(shí)刻，使系統(tǒng)進(jìn)入次諧波振蕩；⑤電路拓?fù)涫芟拗疲虎迣?duì)多路輸出電源的交互調(diào)節(jié)性能不好。峰值電流模式控制PWM最主要的應(yīng)用障礙是容易振蕩及抗噪聲性差。振蕩可以來源于：器件開啟時(shí)的反向恢復(fù)引起的電流尖刺，噪聲干擾，斜波補(bǔ)償瞬態(tài)幅值不足等。峰值電流模式控制的開關(guān)電源容易在開機(jī)啟動(dòng)及電壓或負(fù)載突然較大變化時(shí)發(fā)生振蕩。
3.平均電流模式控制PWM(AVERAGECURRENT-MODECONTROLPWM)：
平均電流模式控制概念產(chǎn)生于七十年代后期。平均電流模式控制PWM集成電路出現(xiàn)在九十年代初期，成熟應(yīng)用于九十年代后期。平均電流模式控制的發(fā)展動(dòng)力有三：一是峰值電流模式控制PWM在應(yīng)用推廣時(shí)碰到許多嚴(yán)重問題；二是INTEL公司的高速CPU集成電路需要具有高DI/DT動(dòng)態(tài)響應(yīng)供電能力的低電壓大電流開關(guān)電源；三是在八十年代后期平均電流模式控制理論研究上的進(jìn)展。圖3.A所示為平均電流模式控制PWM的原理圖。輸出電壓信號(hào)VOUT與基準(zhǔn)給定電壓VREF的差值經(jīng)過電壓誤差放大器E/A放大后得到誤差電壓VE，它接至電流誤差信號(hào)放大器CA的同相端，作為輸出電感電流的控制編程電壓信號(hào)VCP(VCURRENT-PROGRAM)。
而帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流信號(hào)VI接至電流誤差信號(hào)放大器CA的反相端，代表跟蹤電流編程信號(hào)VCP的實(shí)際電感平均電流。VI與VCP的差值經(jīng)過電流放大器CA的放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號(hào)VCA。再由VCA及三角鋸齒波信號(hào)VT或VS通過比較器比較得到PWM關(guān)斷時(shí)刻。VCA的波形與電流波形VI反相，所以，是由VCA的下斜波(對(duì)應(yīng)于開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)期)與三角波VT或VS的上斜波比較產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)。顯然，這就意味著無形中增加了一定的斜坡補(bǔ)償。為了避免次諧波振蕩，VCA的上斜坡不能超過三角鋸齒波信號(hào)VT或VS的上斜坡。
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平均電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)是①平均電感電流能夠高度精確地跟蹤電流編程信號(hào)。②不需要斜坡補(bǔ)償。③調(diào)試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越。④適合于任何電路拓?fù)鋵?duì)輸入或輸出電流的控制。⑤易于實(shí)現(xiàn)均流。缺點(diǎn)是①電流放大器在開關(guān)頻率處的增益有最大限制②雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜。
圖3.B為增加輸入電壓前饋功能的平均電流模式控制，非常適合輸入電壓變化幅度大、變化速度快的中國電網(wǎng)情況。澳大利亞R-T公司的48V/100A半橋電路通信開關(guān)電源模塊實(shí)際上采用圖3.B的控制方式。
4.滯環(huán)電流模式控制PWM(HYSTERETICCURRENT-MODECONTROLPWM)：
滯環(huán)電流模式控制PWM為變頻調(diào)制，也可以為定頻調(diào)制。如圖4所示，為變頻調(diào)制的滯環(huán)電流模式控制PWM。將電感電流信號(hào)與兩個(gè)電壓值比較，第一個(gè)較高的控制電壓值VC由輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的差值放大得到，它控制開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)刻；第二個(gè)較低電壓值VCH由控制電壓VC減去一個(gè)固定電壓值VH得到，VH叫做滯環(huán)帶，VCH控制開關(guān)器件的開啟時(shí)刻。
滯環(huán)電流模式控制是由輸出電壓值VOUT、控制電壓值VC及VCH三個(gè)電壓值確定一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，比電流模式控制多一個(gè)控制電壓值VCH，去除了發(fā)生次諧波振蕩的可能性，見圖4右下示意圖。因?yàn)閂CH1=VCH2，圖4右下示意圖中的情況不會(huì)出現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)：①不需要斜波補(bǔ)償。②穩(wěn)定性好，不容易因噪聲發(fā)生不穩(wěn)定振蕩。缺點(diǎn)：①需要對(duì)電感電流全周期的檢測(cè)和控制。②變頻控制容易產(chǎn)生變頻噪聲。
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5.相加模式控制PWM(SUMMING-MODECONTROLPWM)：
圖5所示為相加模式控制PWM的原理圖。與圖1.A所示的電壓模式控制有些相似，但有兩點(diǎn)不同：一是放大器(E/A)是比例放大器，沒有電抗性補(bǔ)償元件。控制電路中電容C1較小起濾除高頻開關(guān)雜波作用。主電路中的較小的LF、CF濾波電路(如圖中虛線所示,也可以不用)也起減小輸出高頻雜波作用。若輸出高頻雜波小的話，均可以不加。因此，電壓誤差放大沒有延時(shí)環(huán)節(jié)，電流放大也沒有大延時(shí)環(huán)節(jié)。二是經(jīng)過濾波后的電感電流信號(hào)VI也與電壓誤差信號(hào)VE相加在一起構(gòu)成一個(gè)總和信號(hào)VΣ與三角鋸齒波比較，得到PWM控制脈沖寬度。相加模式控制PWM是單環(huán)控制，但它有輸出電壓、輸出電流兩個(gè)輸入?yún)?shù)。如果輸出電壓或輸出電流變化，那么占空比將按照補(bǔ)償它們變化的方向而變化。
相加模式控制PWM的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)響應(yīng)快(比普通電壓模式控制快3~5倍)，動(dòng)態(tài)過沖電壓小，輸出濾波電容需要較少。相加模式控制中的VI注入信號(hào)容易用于電源并聯(lián)時(shí)的均流控制。缺點(diǎn)是：需要精心處理電流、電壓取樣時(shí)的高頻噪聲抑制。
結(jié)論
不同的PWM反饋控制模式具有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源選用時(shí)要根據(jù)具體情況選擇合適的PWM的控制模式。
各種控制模式PWM反饋方法的選擇一定要結(jié)合考慮具體的開關(guān)電源的輸入輸出電壓要求、主電路拓?fù)浼捌骷x擇、輸出電壓的高頻噪聲大小、占空比變化范圍等。PWM控制模式是發(fā)展變化的，是互相聯(lián)系的，在一定的條件下是可以互相轉(zhuǎn)化的。
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