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1、第四章 开关电源中的控制技术, 开关电源由主电路和控制电路两大部分组成；, 主电路的作用是将交流电能或其他直流电能变换成符合要求的形式传递给负载；, 控制电路的作用是按输入输出条件控制主回路，按设计要求稳定工作 ；, 主电路和控制电路必须相互配合，共同工作，才能组成符合使用要求，稳定工作的电源。, 本章主要介绍开关电源控制电路的相关内容。,4.1 开关电源控制基础,一 系统结构, 对控制系统来说，输入电压应该只是一个扰动，输出只受给定的影响；, 实际电源除了受给定的控制外，还受输入电压和负载变化的影响。, 一般的开关电源都可以等效成如下形式：, 开关电源输出受负载变化的影响叫负载效应，可用负载
2、调整率来衡量。, 开关电源输出受输入电压变化的影响，是电源源效应，可用电压调整率衡量。, 电源系统框图, G1(S)：调节器传递函数, G2(S)：主电路传递函数, H(S)：反馈环节传递函数, K1：控制器传递函数,二 时域性能指标,1 静态性能指标, 主要指静态误差，也称稳态误差，指时间趋于无穷大时系统实际输出与期望值之差；, 不同输入信号的静态误差也不同，单位阶跃输入的静态误差最常用；, 0阶系统的静态误差为1/（1+Kp）, 1阶或2阶以上系统的静态误差为零,2 动态性能指标,* 延迟时间td,单位阶跃响应到达其稳态值50%所需要的时间,* 上升时间tr,* 峰值时间tp,* 超调量,
3、单位阶跃响应超过稳态值的10%到90%所需要的时间,单位阶跃响应超过稳态值第1次达到峰值所需要的时间,也叫开机过冲幅度，表示输出的最大偏差与稳态值之比,* 调节时间ts,由 t=0 到进入稳态所需要的时间,三 稳定条件及判据,1 稳定,当系统受到有界扰动时，其输出也是有界的。,把系统闭环传递函数的分母展开，令其等于0，即可得到系统特征方程,2 稳定的必要条件,（1）特征方程的各项系数都不等于0；,3 充分必要条件,（2）特征方程的各项系数的符号都相同。,闭环特征方程所有根都具有负实部。,4 判据,以上相关内容，可参考“古典控制理论”和“高频功率电子学”。,四 系统设计要考虑的问题和步骤,1 要
4、考虑的问题,（1）要控制稳态误差的量，即保证控制精度；准,（2）要控制超调量、调节时间等，保证系统的响应速度；快,（3）要保证系统的稳定性。稳,2 注意,(1) 低频段要高增益；,(2) 中频段的斜率以-20dB/dec为宜；,(3) 高频段主要考虑提高系统的抗干扰能力。,3 设计步骤,(1) 写出电源系统的固有传递函数，分析其性能，看是否需要校正；,(2) 根据要求的系统指标，求出符合要求的系统传递函数；,(3) 与电源系统的固有传递函数比较，可以得到校正环节的传递函数。,(1) 典型电路,五 控制调节器的分类,1 比例调节器,(2) 传递函数,(1) 典型电路,2 比例积分调节器,(2)
5、传递函数,(3) 特点 动态响应稍慢，没有稳态误差。,(4) 应用用于控制精度要求高，动态响应不用太快的系统。,(3) 特点 动态响应快，有稳态误差。,(4) 应用 用于控制精度不太高的系统,六 PWM脉冲形成原理,图中uc为调节器输出， uc增加，则占空比增加。,七 控制电路应具备的功能,(1) 频率可在较宽范围内预调的固定频率的振荡器；,(2) 占空比可调节的脉宽调制功能；,(3) 死区时间校准功能；,(4) 一路或两路具有一定驱动功率的输出，最好是互补式的；,(5) 软启动、禁止功能；,(6) 电压、电流保护功能。,八 控制电路设计的基本内容,1 首先确定控制方式,* 是电压型的，还是电
6、流型的。,* 是PWM的，还是PFM的。,2 设计驱动电路、检测、保护、监控电路等,3 设计合理的调节器、选择合适的控制芯片,4 计算参数,4.2 PWM控制原理,一 PWM控制电路组成及作用,组成：一般都有基准源、振荡器、误差放大器、脉宽调制器等构成。,各部分作用：,基准源：芯片内部大部分电路由他供电，也为误差放大器提供基准；,振荡器：其频率可通过外部RC进行调整，决定了电源的开关频率；,误差放大器：把取样电压和基准电压比较放大，送脉宽调制器；,脉宽调制器： 根据误差放大器的输出决定脉宽；,分频器：将振荡器分频，使之可以输出两路驱动信号；,门电路：形成各自的具有一定驱动能力的输出。,二 PW
7、M控制原理分析（电压型）,1 控制原理,(1) 原理图,(2) 工作原理,* 基准电压源为误差放大器的同相输入端提供一个较稳定的参考电压，一般为2.5V。,* 电压误差放大器接成反相输入方式，其反相输入端为来自输出取样网络的反馈信号。,* PWM比较器的反相输入锯齿波与电压误差放大器输出进行比较，决定了驱动脉冲宽度的大小，而驱动脉冲频率不变。,* 稳定过程,例如，某种原因导致输出电压增加，则输出电压反馈信号也相应增加；,输出电压反馈信号增加使电压误差放大器的输出下降，导致 PWM比较器的输出脉冲宽度减小、输出电压下降。,(3) 电压误差放大器的作用, 将输出电压与给定电压的差值进行放大及反馈，
8、保证稳态时的稳压精度。其直流放大增益理论上为，实际上为运放的开环增益。, 将开关电源输出端附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变成具有一定幅值、比较干净的直流反馈控制信号。, 对整个闭环系统进行校正，使闭环系统稳定工作。,注意：开关噪声的频率较高，幅值较大，衰减不够的话，稳态反馈不稳；衰减过大的话，动态响应又较慢，互相矛盾。,(4) 存在问题, 动态响应较慢, 例如输入电压减小时,（5） 改进办法,在控制系统中引入输入电压前馈。,2 优点, 单环反馈的设计和分析较易进行；, 锯齿波振幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的抗噪声余量；, 占空比调节不受限制；, 低阻抗功率输出，对多输出电源具
9、有较好的交互调节特性。,由于有较大的输出滤波电容及电感，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比较器将输出脉冲宽度增加。,3 缺点, 任何输入电压或输出负载的变化必须先转化为输出电压的变化，然后再经反馈环控制调节，动态响应速度较慢；, 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；, 由于环路增益随输入电压而变，补偿变得更加复杂化。, 在控制磁芯饱和方面较为复杂。,三 电流型PWM控制技术, 在电压型控制系统中，检测出输出电感上的电流变化量，让其参与PWM调节，形成1个内环，组成电压电流双闭环控制系统。, 电压调节器
10、的输出不再直接控制占空比，而是作为电流内环的给定值，通过控制电流达到控制输出电压的目的。,4.3 电流型PWM控制模式,一 峰值电流控制模式,1 基本原理,* 电流控制型开关变换器是一个双环控制系统，它有一个内环电流控制环，还有一个外环电压控制环。,* 当开关管导通时，流经电阻Rs的电流Ids与流过输出滤波电感Lf的电流If成正比。,* 输出电压信号加至误差放大器的反相输入端，同相输入端为基准电压，其误差经放大（ Ve ）后加到下一级PWM比较器的反相端。,* 当加在比较器同相端的正比于Ids的电流取样信号Vs(三角波，其频率为开关频率)升至Ve时，比较器输出端输出一个正脉冲加至锁存器的复位端
11、，锁存器输出使得开关管截止。,* 当Vo发生变化导致Ve变化，或Io变化导致Vs变化时，使比较器输出脉冲相对于时钟脉冲在时间上提前或滞后，从而改变了开关管的占空比实现PWM，以达到稳定输出电压的目。,* 变换器的内环是一个恒流源，而整个电流型开关变换器则可看作是一个电压控制电流源。,2 优点,(1) 对输入电压变化的响应快,* 电源输入电压的变化，必然会引起变压器初级电流上升斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则变慢。,* 只要电流脉冲达到了预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。,* 在电压型控制电路中，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，一直要
12、等到输出电压发生一定的变化后，才会去调节脉冲宽度。,* 一般电压型控制要510周才能响应输入电压的变化。,(3) 并联均流功能,* 可以在设计开关电源时不必给开关管和变压器留有较大的裕量，在保证可靠性的前提下，尽可能降低成本。,* 只要给定或限制参考电流，就可以准确地限制流过开关管和变压器中的最大电流，从而在输出过载或短路时保护了开关管和变压器。,由于有逐个电流脉冲限制的电流环，当多台开关电源并联运行时，每台电源都有独立的电流负反馈，并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路，使各个电流反馈系统有相同的电流参考值，这样就可以实现多台开关电源之间并联均流。,(2) 限流功能,* 由于内环采用了直接
13、的电感电流峰值技术，它可以及时、准确地检测输出或变压器以及开关管中的瞬态电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路。,(4) 简单的磁通平衡功能,* 因为它的内部电流环能使电流脉冲宽度不同但幅值肯定相同。,* 电流型控制可以自动解决磁通不平衡的问题。,(5) 回路稳定性好、负载响应快,* 电流型控制可以看作是一个受输出电压控制的电流源，电流源的电流大小就反映了电源输出电流的大小。,* 原因是电感中电流脉冲的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。,3 缺点, 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；, 闭环响应不如平均电
14、流模式的控制理想；,二 平均电流控制模式,发展动力,* 克服峰值电流模式的缺点,* 市场需要,* 理论发展,1 基本原理,(1)电路结构与峰值电流模式的区别,* 电流环中引入了一个高增益的电流误差放大器,* 抗噪声性能好, 电路拓扑受限制；, 容易发生次谐波振荡；, 峰值电流与平均电流之间存在误差。,(2)原理,2 优点, 适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制；, 平均电感电流能够高度精确地跟踪电流给定；, 调试好的电路抗噪声性能好；, 不需要斜坡补偿；, 易于实现均流。,3 缺点, 电流放大器在开关频率处的增益有最大限制；, 双闭环放大器设计调试复杂。,三 滞环电流控制模式（自学）,1
15、基本思想, 固定电压UH 决定滞环宽度。, 把电感电流的反馈信号UI与两个电压值比较；, 第二个较低电压UL，由控制电压UC 减去一个固定电压UH得到，它控制功率开关器件的开启时刻；, 第一个较高电压UC由输出电压反馈值与基准电压的差值放大得到；它控制功率开关器件的关断时刻；,2 特点, 变频控制易产生变频噪声。, 不需要斜坡补偿；, 需要电感电流全周期检测和控制；, 稳定性好，不易发生振荡；,4.4 电流型控制模式的理论分析,一 峰值电流控制模式的宽度稳定性,以降压式电路为例,说明：,I0 电感电流初值,I1电感电流终值,电路稳态时， I0 = I1。,无电流误差时：,有电流误差时：,两式相
16、减，得：,无电流误差时：,有电流误差时：,两式相减，得：,可以推出：,即,讨论：,二 次谐波振荡,次谐波振荡时的电感电流波形,1 现象,连续两个驱动脉冲的占空比相差较大，当第N个周期的占空比为（D+D）时，则第N+1个周期的占空比为（DD）。,2 过程,* 如果在某个周期里，由于某种扰动导致误差电压放大器的输出电压减小（相当于输出电压增加了），则使占空比减小，即DN=DD。,* 占空比减小，导致输出电压降低，又导致电压误差放大器的输出电压增加，这样又导致在下个周期里的电感电流峰值增加和占空比增加，即DN=D+D。,* 占空比增加，导致输出电压增加，又使电压误差放大器的输出电压减小，这样又导致占空比减小，即DN=DD，如此循环，产生次谐波振荡。,3 实质,占空比的变化频率是开关频率的1/2，所以定义为次谐波振荡。,三 峰值/平均值误差,* 电流模式控制的实质是使平均电感电流跟随误差电压设定的值，即可用一个恒流源来代替电感，使整个系统由二阶降为一阶。,* 峰值电流控制模式中随着占空比的不
