通信开关电源的五种PWM反馈控制模式研究

通信开关电源的五种PWM反馈控制模式研究

华伟

(北方交通大学 100044 北京)

摘要根据实际设计工作经验及有关参考文献,比较详细地依据基本工作原理图说明了电压模式,峰值电流模式,平均电流模式,滞环电流模式,相加模式等PWM反馈控制模式的基本工作原理,发展过程,关键波形,性能特点及应用要点.
关键词脉冲宽度调制反馈控制模式开关电源
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1 引言
 PWM开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化,内部参数变化,外接负载变化的情况下,控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件的导通脉冲宽度,使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定. PWM的开关频率一般为恒定,控制取样信号有:输出电压,输入电压,输出电流 ,输出电感电压,开关器件峰值电流.由这些信号可以构成单环,双环或多环反馈系统 ,实现稳压,稳流及恒定功率的目的,同时可以实现一些附带的过流保护,抗偏磁,均流等功能.现在主要有五种PWM反馈控制模式.下面以VDMOS开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例,说明五种PWM反馈控制模式的发展过程,基本工作原理,详细电路原理示意图,波形,特点及应用要点,以利于选择应用及仿真建模研究.
2 开关电源PWM的五种反馈控制模式
一般来讲,正激型开关电源主电路可用图1所示的降压斩波器简化表示,Ug表示控制电路的PWM输出驱动信号.根据选用不同的PWM反馈控制模式,电路中的输入电压Uin,输出电压Uout,开关器件电流(由b点引出),电感电流(由c点引出或d点引出)均可作为取样控制信号.输出电压Uout在作为控制取样信号时,通常经过图2所示的电路进行处理,得到电压信号Ue,Ue再经处理或直接送入PWM 控制器.图2中电压运算放大器(e/a)的作用有三:①将输出电压与给定电压Uref的差值进行放大及反馈,保证稳态时的稳压精度.该运放的直流放大增益理论上为无穷大,实际上为运放的开环放大增益.②将开关电源主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较"干净"的直流反馈控制信号(Ue)即保留直流低频成分 ,衰减交流高频成分.因为开关噪声的频率较高,幅值较大,高频开关噪声衰减不够的话,稳态反馈不稳;高频开关噪声衰减过大的话,动态响应较慢.虽然互相矛盾,但是对电压误差运算放大器的基本设计原则仍是"低频增益要高,高频增益要低".③对整个闭环系统进行校正,使得闭环系统稳定工作.

 输入电压,电流等信号在作为取样控制信号时,大多也需经过处理.由于处理方式不同,下面介绍不同控制模式时再分别说明.
2.1 电压模式控制PWM (Voltage-mode Control PWM)
图3(a)为BUCK降压斩波器的电压模式控制PWM反馈系统原理图.电压模式控制PWM是60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法.该方法与一些必要的过电流保护电路相结合,至今仍然在工业界很好地被广泛应用.电压模式控制只有一个电压反馈闭环,采用脉冲宽度调制法,即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较,通过脉冲宽度调制原理,得到当时的脉冲宽度,见图3(a)中波形所示.逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加.当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时,因为主电路有较大的输出电容C及电感L相移延时作用,输出电压的变小也延时滞后,输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后,才能传至PWM比较器将脉宽展宽.这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因.

电压模式控制的优点:①PWM三角波幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量;②占空比调节不受限制;③对于多路输出电源,它们之间的交互调节效应较好 ;④单一反馈电压闭环设计,调试比较容易;⑤对输出负载的变化有较好的响应调节.缺点:①对输入电压的变化动态响应较慢;②补偿网络设计本来就较为复杂,闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂;③输出LC滤波器给控制环增加了双极点,在补偿设计误差放大器时,需要将主极点低频衰减,或者增加一个零点进行补偿;④在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂.
改善加快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.但是这样容易受高频开关噪声干扰影响,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模式控制PWM技术,原理如图3(b)所示.用输入电压对电阻电容(RFF,CFF)充电产生的具有可变化上斜坡的三角波取代传统电压模式控制PWM中振荡器产生的固定三角波.此时输入电压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.这是一个有开环和闭环构成的双环控制系统.

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