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开关电源控制类型的详解

时间:2017-09-26 来源:

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。开关电源有两种控制类型,一种是电压控制型 (Voltage Mode Comml);另一种是电流控制型(Currem Mode Control)。二者有各自的优缺点,很难讲某种控制类型对所有应用都是最优化的,应根据实际情况加以选择。下面我们就来看看开关电源控制类型有哪些。

1.电压控制型

电压控制是开关电源最常用的一种控制类型。以降压式开关稳压器(即Buck变换器)为例,电压控制型的基本原理及工作波形分别如图1 (a)、(b)所示。其特点是首先通过对输出电压进行取样(必要时还可增加取样电阻分压器),所得到的取样中压UQ就作为控制环路的输入信号。然后对取样电压和基准电压UREF进行比较,并将比较结果放大成误差电压Ur,再将Ur送至PWM比较器与锯齿波电压Uj进行比较,获得脉冲宽度与误差电压成正比的调制信号。图1 (a)中的振荡器有两路输出,一路输出为时钟信号(方波或矩形波),另一路为锯齿波信号, CT为振荡电容。T为高频变压器,VT为功率开关管。降压式输出电路由整流二极管VD1、续流二极管VD2、储能电感L和滤波电容Co组成。PWM锁存器的R为复位端,S为置位端。

 

 

图1 电压控制性的基本原理及工作波形

电压控制型具有以下优点:

(1)它属于闭环控制系统,且只有一个电压反馈回路(即电压控制环),电路设计比较简单。

(2)在调制过程中工作稳定。

(3)输出阻抗低,可采用多路电源给同一个负载供电。

电压控制型的主要缺点如下:

(1)响应速度较慢。虽然在电压控制型电路中使用了电流检测电阻Rs,但Rs并未接入控制环路。因此,当输入电压发生变化时,必须等输出电压发生变化之后,才能对脉冲宽度进行调节。由于滤波电路存在滞后时间,输出电压的变化要经过多个周期后才能表现出来。所以电压控制型的响应时间较长,使输出电压稳定性也受到影响。

(2)需另外设计过电流保护电路。

(3)控制回路的频率补偿较复杂,闭环增益随输入电压而变化。

2.电流控制型

电流控制型是在电压控制环的基础上又增加了电流控制环,其基本原理及工作波形分别如图2 (a)、(b)所示。Us为电流检测电阻的压降,此时PWM比较器变为电流检测比较器。电流控制型需通过检测电阻来检测电流,并且可逐个周期的限制电流,便于实现过电流保护。固定频率的时钟脉冲将RS锁存器置位,从Q端输出的驱动信号为髙电平,使功率开关管VT导通,髙频变压器一次侧的电流线性地增大。当电流检测电阻Rs上的压降达到并超过Ur时,电流检测比较器翻转,输出的高电平将锁存器复位,从Q端输出的驱动信号变为低电平,令幵关管关断,直到下一个时钟脉冲使RS锁存器置位。

 

 

图2 电流控制型的基本原理及工作波形

电流控制型具有以下优点:

(1)它属于双闭环控制系统,外环由电压反馈电路构成,内环由电流反馈电路组成,并且电流反馈电路受电压反馈电路的控制。与电压反馈电路相比,电流反馈电路的增益带宽(Gain Bandwidth)更大。

(2)对输入电压瞬态变化的响应速度快,当输入电压发生变化时能迅速调整输出 电压达到稳定值。这是因为输入电压的变化会导致一次侧电感电流发生变化,进而使Us改变,无须经过误差放大器,直接通过电流检测比较器就能改变输出脉冲的占空比。

(3)在电压控制环和电流控制环的共同控制下,可提高电压调整率指标。

(4)能简化误差放大器补偿网络的设计。

(5)只要电流脉冲达到设定的阈值, PWM比较器就动作,使功率开关管关断,维持输出电压稳定。

(6)本身带限电流保护电路,只需改变Rs值,即可精确设定极限电流值。

电流控制型的主要缺点如下:

(1)由于存在两个控制环路,给电路设计及分析带来困难。

(2)当占空比超过50%时可能造成控制环路工作不稳定,需增加斜率补偿电路。

(3)对噪声的抑制能力较差,因一次侧电感工作在连续储能模式,开关电流信号的上升斜率较小,只要在电流信号上叠加较小的噪声,就容易导致PWM控制器误动作,需增加噪声抑制电路。

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