第三节 开关电源电压型控制和电流型控制基本原理

（一）电压控制模式
＋ －
电压调 节器
PWM比 较器
主电路
电压型控制的最基本特点：误差电压信号与参考电压信号 经过电压调节器后被输入到PWM比较器，与振荡器产生的 三角波或者锯齿波信号进行比较。需要专门的过流保护环 节。
Vdc
1 u(t) D1 D2
L 2
D 1
2 R1
Vo
M1 C1 D4 D5 R2
iR
IL0 M1
M2
iL’
t=0 DTs e t=0 D’Ts
iL
' ∆i L = i L − i L
峰值电流模式控制系统中电感电流对扰动的响应
M2 n 误差en = [ − ] e0 , M 1、M 2分别为电感电流上升段的斜率和 M1 M1 D' = 。 下降段的斜率。 M2 D
iR
IL0
DTs D’Ts
电流型控制和电压型控制 模式的选择
优先考虑电压型控制模式(具有前馈)的情况有: ①较宽的输入电压范围且输出负载变化范围大的场合; ②输入电压低或者负载电流太小,使得电流上升率太低且 不能实现稳定的ＰＷＭ调节场合; ③在大功率且干扰大的应用场合,使得电流波形中的噪声 难以处理，必须选用电压型控制; ④要求具有多路输出电压且能较好地进行交互调节; ⑤在变压器次级使用可饱和电抗器进行辅助调节; ⑥在需要避免双环控制和斜坡补偿的应用场合。
,
Qs =
π (M1 − M 2 )
2( M 1 + M 2 )
为阻尼系数， ϖ s为开关频率对应的角频 率。
如果M 1 ≤ M 2 , 则Qs ≤ 0，则电流环的传递函数 的特征根的实部 大于零，意味着系统不 稳定。
解决峰值电流模式不稳定问题的 斜坡补偿法
iR
IL0
DTs D’Ts
MC M1 M2
振荡器
驱动输 出部分
死区 控制
PWM 形成
I（D) 调节器
（二）电流控制模式
1.峰值电流控制模式
S CLK Vg
iS iR
iR iS
R Q S CLK
iS t0 t1 t2 t3 t4 t5
与电压控制模式相比的特点：不用PI调节器和PWM锯齿波 比较电路，而是采用电流给定信号与电感电流相比较获得开 关管的PWM控制信号。
t=0
如果开关管的占空比D大于50％，此时误差en = [ − 不断增长，系统将不稳定。
M2 n D ] e0 = [ − ' ]n e0 M1 D
有的地方也称这种不稳定为次谐波振荡，sub-harmonic
峰值电流模式控制时系统的闭环传递函数
∧
iL iR
∧
=
1 s s 2 1 + Qs [ ]+[ ] ϖs /2 ϖs /2
5.所有的电流型控制器用当占空比超过50％时， 在电流波形上都要加一个斜率补偿器以保证系统 稳定。通常做法是将振荡器波形加在电流波形上。
电流型控制和电压型控制 模式的选择
优先考虑电流型控制模式的情况有: ①电源输出是一个电流源或输出电压很高; ②在给定开关频率下要求具有最快的动态响应; ③用于ＤＣ－ＤＣ变换器且输入电压波动不大; ④在模块化应用中要求并联的负载均流特性好; ⑤在功率变换电路中,对变压器磁通平衡要求很高; ⑥要求用最少的元器件实现低成本应用。
电流型控制的缺点
1.需要双环控制,增加了电路设计和分析的难度; 2.因电流上升率不够大,在没有斜坡补偿时,当占 空比大于50%时,控制环变得不稳定,抗干扰性能差;
3.因控制信号来自输出电流,功率级电路的谐振会
给控制环带来噪声; 4.因控制环控制电流,使负载调整率变差,在多路 输出时,需要耦合电感实现交互调节。
• 1.平均电流反馈：响应速度慢 • 2.逐周过电流保护：检测瞬时电流，响应快 • 3.电压滞环的电压型控制：又称打嗝型控制 （hiccup-mode),当输出电压低于设定值时，开 关管才开通，否则开关管处于常关的状态。 • 4.常用控制芯片：TL494,SG3525
电压型控制的优点
• 1。单环控制，易于设计和分析； • 2。噪声裕量大； • 3。多路输出时，交叉调节性能好。
电压型控制的缺点
1.响应速度慢：任何输入电压或输出负载的变化 必须首先转化为输出电压的变化,然后再经反馈 环采样反馈控制调节。因此动态响应速度较慢; 2.需要增加一个零点补偿：LC输出滤波器对控制 环增加了两个极点,这就需要增加一个零点补偿; 3.补偿复杂：由于环路增益随输入电压而变,使得 补偿变得更加复杂化。 4。无限流功能，必须设计限流电路。
第三节 开关电源电压型控制和电 流型控制模式简介
浙江大学电气工程学院 应用电子学系 二零零六年五月
一控制模式（Voltage Mode Control)和电流控制模式(Current Mode Control)两种。 电压控制模式：仅有一个输出电压反馈控制环。 电流控制模式：输出电压反馈控制外环和电流控制内环。 电流控制模式分类：峰值电流、滞环电流和平均电流控 制模式三种。
t=0
Qs =
π ( M1 − M 2 + 2M c )
2( M 1 + M 2 )
, 通过合理选择 M c，就可以使 Qs > 0,
MC − M2 n ] e0 从而保证系统的稳定。 此时误差en = [ M C + M1
峰值电流控制的优缺点及其 集成电路芯片
优点：（1）系统得稳定性增强，响应速度快（能够直接将干
扰引起的电压波动反映给控制电路，电压控制模式还需要 经过主电路的一系列环节电压波动才能够反映到控制电 路。），动态特性得到改善（主要是对输入电压扰动的抵 抗能力的提高）。 （2）由于电流环的快速响应速度，还能够彻底消除单独的 电压控制模式下，输出电压中由于输入交流电压整流后引 起的100Hz低频纹波。 （3）有限值过电流的能力。 缺点：该方法控制的是峰值而不是平均值，对于那些需要精 确控制平均值的场合不适用。此外峰值对噪声比较敏感。 （4）典型的集成电路控制芯片为UC3842/3/4/5/6
负载
0
x
PWM比较器 + C1 z=xy
R3
PI调节器
X为误差信号
+
Vref
将前面各个环节的传递函数代入上述控制系统，并进行 归一化后可以得到博德图。从博德图可知，电压模式控 制的开关电源，其稳定性和动态特性之间的矛盾比较突 出。（参阅教材和参考书得到此问题的详尽解释）
电压型控制的过电流保护形式 及其常用控制芯片
2.平均值电流控制模式
S
iS iR 电流调节器 uC uS
PWM形成环节
误差en = [
MS − M2 n ] e0 , 与斜波补偿的峰值电流控制相似， M S + M1
因此其电流闭环特性也与峰值电流控制系统相似。
电流型控制的优点
1.具有良好的线性调整率和快速的输入输出 动态响应;无电压型控制的增益变化问题。 2.具有最佳的大信号特性：消除了输出滤波 电感带来的极点和系统的二阶特性,使系统不 存在有条件的环路稳定性问题,具有最佳的大 信号特性; 3.固有的逐个脉冲电流限制,简化了过载保护 和短路保护,在推挽电路和全桥电路中具有自 动磁通平衡功能。多电源单元并联易于实现 自动均流。