开关电源控制方法综述_王凤岩

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图 ７ Ｖ２ 控制电路图
传统的电流型控制事实上是控制电感电流。当使 用Ｂｕｃｋ 变换器时，若电感在输出部分，则电流型控制是 非常有效的。但是对于反激变换器和 ｂｏｏｓｔ 变换器拓扑， 电感不在输出部分，电流型控制的许多优点体现不出 来。V 2 控制方法由于内环检测点在输出部分，提高了 Ｂｕｃｋ 变换器和正激变换器对输入和输出静态和动态变 化的响应速度，解决了电流型控制方法存在的问题。
由于电流型控制方法采用输出电流前馈控制，相 对于电压型控制方法有更快的负载或输入瞬态响应速 度，减小了输出电压的纹波；且由于其自身具有限流 的功能，易于实现变换器的过流保护，因而在多个电 源并联时，更便于实现均流。但电流型控制方法在占 空比大于 ５ ０ ％ 时要产生次谐波振荡，从而产生稳定性 问题。这通常可在比较器输入端使用一个补偿斜坡来 消除［２ － ４ ］。
评
论
（西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 ６１００３１）
摘 要：从占空比的实现方式和控制电路的检测信号 ２ 个角度对开关电源的控制方法进行分类 研究，详细介绍基于后一种分类方式下的电压型、电流型、Ｖ ２ 型等几种控制方式的工作原理、特点 和适用场合。在此基础上简要介绍模糊控制和滑模变结构控制等现代控制方法的原理和特点。最后根 据对偶原理，对恒流源控制方法进行分类，并简述单环控制恒流源的工作原理。
电压和电感电流２ 个状态变量作为控制变量，提高了开 关电源 Ｐ Ｗ Ｍ 控制策略的性能。由图 ３ 和图 ４ 可以看出， 电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于： 电流型控制方法用开关电流波形代替电压型控制方法 的锯齿波作为 Ｐ Ｗ Ｍ 比较器的一个输入信号。电流型控 制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号 使锁存器复位开关管导通，开关电流由初始值线性增 大，检测电阻 RS 上的电压 VS 也线性增大，当 VS 增大到误 差电压Ve 时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关 管关断。直到下一个时钟脉冲到来开始一个新的周期。
本文以电感连续导电Buck 变换器为例，详细介绍 以上几种控制方法的工作原理、特点和适用场合，并
第 １ 期
王凤岩，许峻峰，许建平：开关电源控制方法综述
在此基础上对恒流源进行分类介绍。
１ 电压型控制
图１ 所示为电压型控制Buck 变换器，图２ 为其对应 的主要波形。从图１ 可以看出，电压型控制方法是利用 输出电压采样作为控制环的输入信号，将该信号与基 准电压Vref 进行比较，并将比较的结果放大生成误差电 压 Ve。误差电压 Ve 与振荡器生成的锯齿波 Vsaw进行比较 生成一脉宽与 V e 大小成正比的方波，该方波经过锁存 器和驱动电路（图中未画出驱动电路）驱动开关管导 通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。
４ 模糊控制
模糊控制（Fuzzy Logic Control）是以模糊数学、模 糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础 的一种计算机控制方法。应用于开关电源的模糊控制的硬 件电路即为普通的数字控制电路。图９ 所示为数字控制 Ｂｕｃｋ 变换器的原理图。控制电路主要包括：Ａ／Ｄ 输入部 分、微处理运算部分、输出驱动部分。Ａ ／ Ｄ 输入部分用 于检测变换器的输出电压和电感电流，经过微处理器 的模糊推理运算后，得到控制脉宽信号，再经驱动电路 来控制开关管［１ ０ ］。模糊控制的核心是模糊控制规则。 一般取“ｉｆ…ｔｈｅｎ…”的形式。应用于开关电源中，控制
V2 控制方法由于内环采用反馈输出电压的纹波， 因而与电流型控制方法一样，抗干扰能力差。当占空比 大于５０％ 时，会产生次谐波振荡，所以也要使用斜坡补 偿。V2 控制方法可与普通的控制方法如定频、定开通时 间和滞环控制配合使用以提高系统的响应速度。在使 用定关断时间的V2 控制方法时可免于使用斜坡补偿。 V2 控制方法对输入和输出电流都没有直接控制，所以 不便于电源的并联使用，需要额外的电路来进行过流 保护。
早期文献中Duty Cycle Control（Duty Ratio Programmed Control）都是特指的电压型控制。在电流型控制方法出 现之后，才明确提出了Voltage Mode Control 的说法。电 压型控制方法只检测输出电压一个变量，因而只有一 个控制环，所以设计和分析相对比较简单。由于锯齿 波的幅值比较大，抗干扰能力比较强。其主要缺点是 输入或输出的变化只能在输出改变时才能检测到并反 馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。由于电压型 控制对负载电流没有限制，因而需要额外的电路来限 制输出电流。
图 ３ 电流型设计电路
图 １ 电压型控制电路
图 ４ 电流型控制主要波形图
图 ２ 电压型控制主要波形图
２ 电流型控制
电流型控制（Current Mode Control） 又称为Current Injection（或 Injected） Control 或者Current Programmed Control，１９７８ 年首次提出［１］。电流型控制同时引入电容
开关电源的另一种分类方式是按照检测信号的不 同来分类的，可以分为单环控制和双环控制。恒压源 单环控制主要是电压型控制；双环控制则有电流型、 Ｖ２ 型等几种控制方式。
随着控制理论的发展，一些现代的控制方法，如模 糊控制、滑模变结构控制等非线性控制方法也被尝试应 用于开关电源的控制电路中。虽然这些控制方法到目前 没有得到广泛应用，但是由于其独特的控制性能，应用 前景可观。
DOI:10.13890/j.issn.1000-128x.2006.01.002
２００６年第１期 ２００６年１月１０日
机 车 电 传 动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
№ １，２００６ Jan.１０，２００６
综百度文库
开关电源控制方法综述
述
与
王 凤 岩 ，许 峻 峰 ，许 建 平
WANG Feng-yan, XU Jun-feng, XU Jian-ping
(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031,China)
Abstract: The control methods of switching power supply are classified in realization of duty ratio and in detection signal of control circuit. The working principles, characteristics and applications are described in details for the control methods of voltage, current and V2 types based on the second classification. Further briefed are the principles and characteristics of modern control methods of fuzzy control and sliding mode control. In the end the control methods of constant-current power supply are classified according to the coupling principle. The working principle of single-loop controlled switching power supply with constant current is introduced in brief.
控制电路是通过调节功率级开关器件的占空比 来 控制功率级输出的，在电感连续导电模式（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ， ＣＣＭ）下，d＝ton／（ton＋toff）＝ton／T (ton 为开通时间，toff为关断时间，T为周期）。
按照占空比的实现方式，开关电源的控制方式可 以分为定频控制和变频控制。定频控制即开关周期恒 定不变，通过调整一个周期内开关开通的宽度来调节 输出电压，即通常所说的脉宽调制（P u l s e W i d t h
关键字：开关电源；控制方法；脉宽调制 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：１０００－１２８（Ｘ ２００６）０１－０００６－０５
作者简介：王凤岩（１９７ ５ －）， 男，博士研究生，主要从 事高频开关电源拓扑结构 和控制方法的研究。
Survey on Control Methods of Switching Power Supply
３ V2 型控制
由于Ｖ２型控制方法（Ｖ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ 或Ｖ２ Ｃｏｎｔｒｏｌ） 具有优秀的动态性能，适用于电压调整模块（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ Ｍｏｄｕｌａｒ，ＶＲＭ）等对动态特性要求比较高的 场合［８ ，９ ］。
由图３ 和图７ 可以看出，Ｖ２ 控制方法与电流型控制 方法的区别在于：Ｖ２ 控制方法用滤波电容电压采样代 替了电流型控制方法中Ｐ Ｗ Ｍ 比较器的电流采样输入。 输出电压Ｖｏ 反馈回来作为２ 个控制环的反馈量。
Key words: switching power supply; control method; PWM
０ 引言
开关电源由功率级和控制电路两部分组成。控制 电路的功能是在输入电压、内部参数、外接负载变化 时，调节功率级开关器件的导通时间，使开关电源的 输出电压或者电流保持恒定。因此，在开关电源的设 计中，控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来 说是十分重要的。采用不同的检测信号和不同的控制 电路会有不同的控制效果。
以上的电流型控制由于不能精确控制电流以及抗 干扰性差等缺点，文献［５ ］提出了平均电流型控制 （Average Current Mode Control）。为了与平均电流型控 制方法区别，上文所述的控制方法又称为峰值电流型 控制（Peak Current Mode Control）。平均电流型控制方 法的控制电路见图５， 检测电流经电流积分器积分后与 误差电压 V e 相减，其差值与锯齿波比较生成控制脉宽
收稿日期：２００５－０８－０６；收修改稿日期：２００５－０９－０８ 基金项目：国家自然科学基金（５ ０ ０ ７ ７ ０ １ ８ ）；国家教育部博士学 科点专项科研基金（２００２０６１３０１０）资助项目
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Modulation，PWM）技术；变频控制有定开通时间、定 关断时间、迟滞比较等几种控制方式。定开通时间控制 即开关的导通时间 t on 不变，通过改变开关的关断时间 来调节占空比；定关断时间控制则相反，开关的关断时 间 t off 不变，通过改变开关的开通时间来调节占空比； 迟滞比较的控制方式是对受控量（输出电压或电流） 设定一个上限和一个下限，当受控量低于下限时开通 开关，而当受控量超过上限时关断开关，因此在这种 控制方式下开通时间和关断时间都是变化的。
从而在
Ｅ
Ｓ
Ｒ
上
产生与电
感电流斜率
相同
的
压
降
V
（
q
V
q
＝iL RＳ）。该电压即为内环的采样电压。当Vq 增大到误差
电压 Ｖ 时，比较器翻转，锁存器输出低电平，开关管关 e
断，直到下一个时钟脉冲信号到来，开始一个新的周
期。V2 控制方法的稳态波形如图 ８ 所示。
图 ６ 电荷型控制
电荷型控制方法（Charge Control） ［７］是能够精确 控制电流的另一种方法，其电路如图 ６ 所示。在开关 Ｓ 开通时电感电流对电容 Ｃ Ｔ 进行充电，当电容电压达到 误差电压 Ｖ ｅ 时比较器翻转关断 Ｓ 。直到下个周期时钟 脉冲到来再次开启 Ｓ。在Ｓ 关断期间 ＣＴ 将充电电荷完全 放掉。电荷型控制方法可以控制每个周期的电量，可 以更快更有效地控制电流。但是它不限制最大电感电 流，并且对电流的瞬态变化响应速度慢，不能有效地 保护开关管等功率器件。
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机 车 电 传 动
２００６ 年
驱动开关。平均电流型控制方法不但提高了电流的控 制精度，而且抗干扰性强，但是响应速度比峰值电流 控制方法慢［６ ］。
图 ５ 平均电流型控制
V2 控制方法稳态时的工作原理为：在每个周期开
始时，时钟信号使锁存器复位、开关管导通，开关电流
iＬ 由初始值线性增大。由于负载电流固定不变，所以该 变化的电流完全通过滤波电容的ＥＳＲ 给滤波电容充电，