三種電源控制拓撲的優(yōu)劣

每一位電源工程師都熟知并學習過電壓模式和電流模式控制這些傳統(tǒng)的控制拓撲，但卻不太了解基于遲滯的拓撲及其優(yōu)勢。雖然純遲滯控制對于諸如醫(yī)療或工業(yè)自動化等特定應用可能并不實用，然而許多比較新的電源拓撲都是基于遲滯的，并且擁有旨在克服純遲滯控制的缺陷的額外特性。此類拓撲被運用于從處理器內(nèi)核供電到汽車系統(tǒng)等廣泛領域。

幾乎所有的電源均是專為提供一個穩(wěn)定的輸出電壓或電流而設計的。提供這種輸出調(diào)節(jié)功能需要一個閉環(huán)系統(tǒng)和即將被調(diào)節(jié)的輸出電壓或電流的反饋。盡管有很多種用于對可用反饋環(huán)路進行補償?shù)牟煌刂仆負?，但它們通常都可以被歸為兩類：脈寬調(diào)制（PWM）或遲滯。在這兩種基本拓撲的基礎上演變出了第三種拓撲，其為此二者的融合：基于遲滯的拓撲。針對不同的應用，這些控制拓撲各有優(yōu)缺點。

電壓模式控制

脈寬調(diào)制（PWM）控制被歸為兩種基本類型：電壓模式和電流模式。為簡單起見，本文只討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控制。有關電壓模式與電流模式更為詳細的比較，圖1示出了降壓轉(zhuǎn)換器中電壓模式控制的基本方框圖。


圖1：電壓模式控制包括了誤差放大器、時鐘和內(nèi)部基準電壓（VREF）

當采用電壓模式控制來調(diào)節(jié)輸出電壓時，它通過一個連接至其反饋（FB）輸入的阻性分壓器來檢測輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨后將該FB信號與一個高準確度內(nèi)部基準電壓進行比較。圍繞誤差放大器的環(huán)路補償電路負責保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

電壓模式控制擁有諸多的優(yōu)勢。通過僅調(diào)節(jié)輸出電壓和其他良好受控的內(nèi)部信號（比如：時鐘和內(nèi)部基準電壓），該拓撲具備非常強的抗噪聲能力。而且它還相當?shù)睾唵蚊髁?。利用輸入電壓前饋保持了簡單性，以在不斷變化的輸入電壓條件下維持恒定的環(huán)路增益。此外，輸入電壓前饋還可大幅改善針對線路電壓瞬變的響應。最后，時鐘實現(xiàn)了開關頻率的控制，包括使電路同步至一個外部時鐘源的可能性。

電壓模式控制的主要劣勢是必需的環(huán)路補償及對應的環(huán)路帶寬限制。就其本質(zhì)而言，電壓模式控制在功率級中引入了一個雙極點，該雙極點位于輸出濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，因而需要在誤差放大器的周圍布設兩個正確定位的零點。由于該雙極點的頻率通常很低，因而環(huán)路帶寬被限制在較低的水平。一般情況下，其被限制為不超過開關頻率的1/10.這對電源的瞬態(tài)響應產(chǎn)生了顯著的負面影響。因此，設計人員必須通過增加輸出電容來獲得更好的瞬態(tài)結(jié)果，從而導致系統(tǒng)成本升高。

考慮到以上的利弊權衡，電壓模式控制仍然是頗具價值的，尤其在那些對噪聲敏感的應用中。電壓模式控制的高噪聲耐受性及其可同步至一個系統(tǒng)時鐘的能力使其很適合于對噪聲最為敏感的應用，例如：醫(yī)療和儀表設備等。

遲滯控制

純粹和基本形式的遲滯控制是極其簡單的，所有控制拓撲中最簡單的一種（圖2）。在其端子之間具有某些小遲滯的比較器通過FB輸入將輸出電壓直接與高準確度的內(nèi)部基準電壓VREF進行比較。


圖2：簡單的遲滯控制拓撲只需一個比較器和內(nèi)部VREF

這種直接控制輸出電壓的優(yōu)勢在于控制環(huán)路的速度。當輸出電壓由于瞬變的原因而發(fā)生變化時，控制環(huán)路開始做出反應所需的時間僅受限于比較器和柵極驅(qū)動器中的傳播延遲。誤差信號不必穿過低帶寬誤差放大器。因此，遲滯拓撲是速度最快的控制拓撲。

此外，其工作原理的簡單性還使其能在無需任何環(huán)路補償?shù)那闆r下保持固有的穩(wěn)定性。而且這種簡單性也使之成為一種低成本的拓撲。在電源中沒有需要設計、構(gòu)建和測試的振蕩器或誤差放大器?？刂崎_關動作僅需一個基本的比較器即可。

遲滯拓撲的主要缺陷是其開關頻率變化。沒有負責設定開關頻率的時鐘或同步信號。取而代之的是，開關頻率由遲滯量以及外部組件和工作條件來設定。

當采用純遲滯轉(zhuǎn)換器時，預計在輸入電壓和負載范圍內(nèi)將發(fā)生很大的頻率變化。而且，如果不采用一個高增益誤差放大器的話，所實現(xiàn)的輸出電壓的DC設定點有可能不如采用電壓模式控制時那么精準。最后，遲滯控制需要利用輸出電容器中的等效串聯(lián)電阻（ESR）。因此，當運用純遲滯拓撲時，一般不能使用ESR極小的陶瓷輸出電容器。

但是，在某些低功率、非常低成本的應用中（比如：玩具），由于此類終端設備的價位非常之低，而且其低功率在遲滯電源的寬開關頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）水平很低，因此遲滯轉(zhuǎn)換器也許是可以接受的。另外，具有非常嚴酷之瞬變的系統(tǒng)需要采用遲滯或基于遲滯的拓撲來維持可接受的輸出電壓調(diào)節(jié)。假如這些系統(tǒng)的輸入電壓、輸出電壓和其他工作條件處于良好受控的狀態(tài)，則開關頻率被保持在一個可接受的范圍之內(nèi)。這使得遲滯控制成為那些依靠一個固定輸入電壓運作并產(chǎn)生一個固定輸出電壓的應用的有效選擇。