開關(guān)電源控制類型的詳解

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。開關(guān)電源有兩種控制類型，一種是電壓控制型 (Voltage Mode Comml);另一種是電流控制型(Currem Mode Control)。二者有各自的優(yōu)缺點，很難講某種控制類型對所有應(yīng)用都是最優(yōu)化的，應(yīng)根據(jù)實際情況加以選擇。下面我們就來看看開關(guān)電源控制類型有哪些。

1.電壓控制型

電壓控制是開關(guān)電源最常用的一種控制類型。以降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器(即Buck變換器)為例，電壓控制型的基本原理及工作波形分別如圖1 (a)、(b)所示。其特點是首先通過對輸出電壓進行取樣(必要時還可增加取樣電阻分壓器)，所得到的取樣中壓UQ就作為控制環(huán)路的輸入信號。然后對取樣電壓和基準電壓UREF進行比較，并將比較結(jié)果放大成誤差電壓Ur，再將Ur送至PWM比較器與鋸齒波電壓Uj進行比較，獲得脈沖寬度與誤差電壓成正比的調(diào)制信號。圖1 (a)中的振蕩器有兩路輸出，一路輸出為時鐘信號(方波或矩形波)，另一路為鋸齒波信號， CT為振蕩電容。T為高頻變壓器，VT為功率開關(guān)管。降壓式輸出電路由整流二極管VD1、續(xù)流二極管VD2、儲能電感L和濾波電容Co組成。PWM鎖存器的R為復(fù)位端，S為置位端。

圖1 電壓控制性的基本原理及工作波形

電壓控制型具有以下優(yōu)點：

(1)它屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，且只有一個電壓反饋回路(即電壓控制環(huán))，電路設(shè)計比較簡單。

(2)在調(diào)制過程中工作穩(wěn)定。

(3)輸出阻抗低，可采用多路電源給同一個負載供電。

電壓控制型的主要缺點如下：

(1)響應(yīng)速度較慢。雖然在電壓控制型電路中使用了電流檢測電阻Rs，但Rs并未接入控制環(huán)路。因此，當輸入電壓發(fā)生變化時，必須等輸出電壓發(fā)生變化之后，才能對脈沖寬度進行調(diào)節(jié)。由于濾波電路存在滯后時間，輸出電壓的變化要經(jīng)過多個周期后才能表現(xiàn)出來。所以電壓控制型的響應(yīng)時間較長，使輸出電壓穩(wěn)定性也受到影響。

(2)需另外設(shè)計過電流保護電路。

(3)控制回路的頻率補償較復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化。

2.電流控制型

電流控制型是在電壓控制環(huán)的基礎(chǔ)上又增加了電流控制環(huán)，其基本原理及工作波形分別如圖2 (a)、(b)所示。Us為電流檢測電阻的壓降，此時PWM比較器變?yōu)殡娏鳈z測比較器。電流控制型需通過檢測電阻來檢測電流，并且可逐個周期的限制電流，便于實現(xiàn)過電流保護。固定頻率的時鐘脈沖將RS鎖存器置位，從Q端輸出的驅(qū)動信號為{電平，使功率開關(guān)管VT導(dǎo)通，{頻變壓器一次側(cè)的電流線性地增大。當電流檢測電阻Rs上的壓降達到并超過Ur時，電流檢測比較器翻轉(zhuǎn)，輸出的高電平將鎖存器復(fù)位，從Q端輸出的驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖?，令怨毓芄囟希直到下一個時鐘脈沖使RS鎖存器置位。

圖2 電流控制型的基本原理及工作波形

電流控制型具有以下優(yōu)點：

(1)它屬于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由電壓反饋電路構(gòu)成，內(nèi)環(huán)由電流反饋電路組成，并且電流反饋電路受電壓反饋電路的控制。與電壓反饋電路相比，電流反饋電路的增益帶寬(Gain Bandwidth)更大。

(2)對輸入電壓瞬態(tài)變化的響應(yīng)速度快，當輸入電壓發(fā)生變化時能迅速調(diào)整輸出 電壓達到穩(wěn)定值。這是因為輸入電壓的變化會導(dǎo)致一次側(cè)電感電流發(fā)生變化，進而使Us改變，無須經(jīng)過誤差放大器，直接通過電流檢測比較器就能改變輸出脈沖的占空比。

(3)在電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)的共同控制下，可提高電壓調(diào)整率指標。

(4)能簡化誤差放大器補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

(5)只要電流脈沖達到設(shè)定的閾值， PWM比較器就動作，使功率開關(guān)管關(guān)斷，維持輸出電壓穩(wěn)定。

(6)本身帶限電流保護電路，只需改變Rs值，即可精確設(shè)定極限電流值。

電流控制型的主要缺點如下：

(1)由于存在兩個控制環(huán)路，給電路設(shè)計及分析帶來困難。

(2)當占空比超過50%時可能造成控制環(huán)路工作不穩(wěn)定，需增加斜率補償電路。

(3)對噪聲的抑制能力較差，因一次側(cè)電感工作在連續(xù)儲能模式，開關(guān)電流信號的上升斜率較小，只要在電流信號上疊加較小的噪聲，就容易導(dǎo)致PWM控制器誤動作，需增加噪聲抑制電路。