《精通開關電源設計》原書作者Sanjaya于2016年4月在中國的各大城市巡回做電源技術的培訓，其中，Sanjaya對于電壓模式的工作方式特別推崇，雖然在實際的應用中，電流模式仍然占據著主導的作用。那么，我們就認識一下這些工作模式，除了常規的電壓模式和峰值電流模式之外，還包括其它類型的電壓和電流模式。

電壓模式和電流模式是開關電源系統中常用的兩種控制類型。在開關電源系統中，當輸入電壓變化、輸出負載變化以及電源內部的參數變化時，控制電路將檢測被控制的電壓及電流信號，將它們與基準信號進行比較，然后將差值放大，進行閉環反饋控制，以調節主電路功率器件的導通脈沖寬度或開關頻率，從而保證系統的輸出電壓或輸出電流等被調節信號的穩定。

開關電源有PFM和PWM兩種控制方式：PFM工作在變頻方式，通過調節工作頻率保持輸出電壓或輸出電流的恒定。PWM工作在固定頻率，通過調節脈沖寬度，即占空比，保持輸出電壓或輸出電流的恒定。電源系統中，電壓的取樣信號有輸入電壓和輸出電壓，而電流的取樣有功率電感的直流壓降、電流取樣電阻電壓和和功率MOSFET的導通壓降等，由這些信號可以構成單環、雙環或多環反饋系統，實現穩壓、穩流或恒功率的控制，同時可以實現過壓欠壓保護、過流保護、均流、輸出電壓排序跟蹤等附帶的功能。

1 通用電壓模式的工作原理及特點

電壓模式的控制系統如圖1所示。控制環僅有一個的電壓反饋環，電壓反饋環包括電壓誤差放大器、反饋分壓電阻器和反饋補償網絡。電壓誤差放大器的同相端連接到參考電壓Vref，反饋分壓電阻器連接到電壓誤差放大器的反相端FB，反饋補償網絡連接到反相端FB和電壓誤差放大器的輸出端COMP，輸出端COMP的電壓為Vc。電壓誤差放大器的輸出連接到PWM比較器的同相端，PWM比較器的反相端輸入信號為斜波發生器輸出的連續鋸齒波，由時鐘同步信號產生。

圖1：電壓模式的控制系統圖

圖2：電壓模式的控制波形

1.1 電壓模式工作過程

? ?電壓模式的工作過程有二個階段：

（1）時鐘振蕩器輸出脈沖信號為高電平，高端的開關管導通，開始一個開關周期，電感所加的電壓為正，電感激磁，電流線性上升。由于鋸齒波的電壓低于Vc的電壓，PWM比較器輸出低電壓。

（2）當鋸齒波的電壓增加到高于Vc的電壓時，PWM比較器輸出翻轉，高端的開關管關斷，低端的同步MOSFET或續流二極管導通，電感所加的電壓為負，電感去磁，電流線性下降。直到下一個開關周期開始的時鐘同步信號到來，如此反復。

1.2 調節工作原理

? ?電壓模式調節原理如下：

（1）當輸出負載增大時，輸出電壓降低，Vc增大，鋸齒波的電壓只有增加到更高的值才能夠和Vc相等，從而使PWM比較器翻轉，因此，開關管導通的時間增長，占空比增加，輸入功率增加，因此輸出電壓增加，當輸出電壓增加到調節的范圍內時，系統保持平衡。

（2）當輸出負載降低時，輸出電壓升高，Vc降低，鋸齒波的電壓在較低的值就可以等于Vc值，從而使PWM比較器翻轉，因此，開關管導通的時間縮短，占空比降低，輸入功率降低，因此輸出電壓降低，當輸出電壓降低到調節的范圍內時，系統保持平衡。

電壓誤差放大器的作用是檢測緩慢變化的輸出直流電壓信號的微小變化，輸入到FB管腳，FB管腳的電壓V-與參考電壓Vref的差值被電壓誤差放大器放大輸出，輸出Vc為具有一定幅值的比較干凈的直流低頻反饋控制信號，開關電源輸出附帶的較寬頻帶的高頻開關噪聲信號被濾除，從而保證輸出穩態時的穩壓精度。

高頻開關噪聲的頻率較高，幅值較大，如果高頻開關噪聲衰減不夠的話，系統容易受到干擾，不能穩定工作；但是高頻開關噪聲衰減過大的話，系統的帶寬窄，動態響應較慢，因此要做一些折衷的設計，要保持電壓誤差放大器的低頻增益高，高頻增益低，可以通過對整個閉環系統進行補償，使得閉環系統穩定工作。

1.3 外加限流保護

從電壓模式工作原理可以看到，系統沒有內置的限流功能保護電路，同時，對于輸入和輸出的瞬變變化，系統響應緩慢。當輸入電壓突然變低或負載阻抗突然變低時，因為主電路有較大的輸出電容和電感，電容與電感產生相移延時作用，輸出電壓的變低也延時滯后，輸出電壓變低的信號還要經過電壓誤差放大器的補償電路的延時滯后，才能傳到PWM比較器，將脈寬變寬，這兩個延時滯后作用是暫態響應慢的主要原因。為了提高系統的可靠性，必須外加限流保護電路，注意到限流保護電路只起限流的作用，并不參與系統的內部的反饋調節。

1.4 電壓模式優缺點

? ?電壓模式的優點：

（1）由于電流信號不參與反饋，系統不會受到電流噪聲的干擾。

（2）PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調節時具有較好的抗噪聲性能。

（3）占空比調節不受限制。

（4）對于多路輸出電源，它們之間的交互調節性能較好。

（5）單一電壓閉環反饋設計，調試比較容易。

（6）對輸出負載的變化有較快的響應。

（7）低的輸出阻抗。

電壓模式的缺點：

（1）單反饋環控制系統，輸出LC濾波器在控制環中產生雙極點，動態響應慢，需要增加一個零點對主極點進行補償，因此反饋補償設計比較復雜，需要更多額外的器件仔細設計補償環路，來優化負載瞬態響應。

環路增益是輸出電容ESR的函數，輸出電容影響反饋環，需要電解電容或鉭電容穩定控制回路以維持良好的高頻響應；在相同均方根工作電流的需求下，相同電容值的電解電容或鉭電容比陶瓷電容的體積更大，同時輸出電壓的波動也更大。

環路的增益是輸入電壓的函數,對輸入電壓的變化動態響應較慢，需要輸入電壓前饋。

電壓模式的反饋設計通常選取穿越頻率為1/5-1/10的開關頻率，環路補償采用III類補償網絡：3個極點和2個零點，2個零點安排在LC諧振雙極點附近，以抵消雙極點產生的相位延遲；低頻積分電路用以提高低頻的直流增益，2個高頻極點以產生高頻噪聲衰減，保證在0dB穿越頻率以上環路增益保持下降。

（2）用于限流控制的電流檢測緩慢不準確。

（3）如果多個電源和多個相位并聯操作,需要外部電路進行均流控制。

1.5 電壓模式動特性改善

改善電壓模式控制瞬態響應速度的方法有二種：一是增加電壓誤差放大器的帶寬，保證具有一定的高頻增益，但是這樣容易受到高頻開關噪聲干擾，需要在主電路及反饋控制電路上采取措施，進行抑制或同相位衰減平滑處理。另一方法是采用電壓前饋技術，用輸入電壓對電阻電容充電產生的具有可變化上升斜坡的三角波，取代傳統電壓模式PWM控制器中振蕩器產生的固定三角波。此時，輸入電壓的變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來，因此該方法對輸入電壓的變化引起的瞬態響應速度明顯提高。對輸入電壓的前饋控制是開環控制，而對輸出電壓的控制是閉環控制，目的是增加對輸入電壓變化的動態響應速度，這樣就構成了一個開環和一個閉環的雙環控制系統。?

2??滯回電壓模式的工作原理及特點

滯回電壓模式的結構如圖3所示，滯回電壓控制模式一種最簡單的控制方法，控制環包括兩個部分：分壓電阻器和滯回比較器。分壓電阻器用于檢測輸出紋波電壓，滯回比較器用于控制功率開關管的開通和關斷。主功率回路工作在自由振蕩方式，電路調節輸出電壓并保持輸出電壓在參考電壓和比較器所設定的滯回窗口電壓范圍內。

滯回電壓模式工作過程如下：

（1）當輸出電壓降低時，比較器的反相端的電壓也降低，當反相端低于Ｖref-dＶ/2時，比較器輸出高電平，開關管導通，輸出電壓增加。

（2）當輸出電壓繼續增加，使比較器的反相端高于Ｖref+dＶ/2時，比較器的輸出翻轉，輸出低電平，開關管關斷。如此反復。其控制波形如圖4所示。

滯洄電壓模式的優點：

（1）滯回電壓模式沒有反饋環，因此不需要補償設計，延時通常和補償網絡中的電容相關，滯回電壓模式沒有補償網絡，所以，誤差信號也就沒有補償網絡產生的延時，也不會產生補償網絡中電容充放電形成的不正常的電壓所帶來的不利影響。

（2）響應快。滯回電壓模式能夠在當前的周期非常快的響應負載電流的瞬態變化，響應的時間只取決于滯洄比較器的驅動電路的延時。

（3）最簡單的一種控制方法。

滯洄電壓模式的缺點：

（1）工作在變頻工作方式，頻率變化范圍寬時，不利于電感的優化設計。

（2）開頭頻率依賴于輸出的濾波器、輸入電壓和輸出電壓、滯回窗口電壓和內部的延時。

圖3：滯回電壓模式的控制系統圖

圖4：滯回電壓模式的控制波形

鼎懋（上海）電子科技 ? QQ1827556755