通信开关电源的五种PWM反馈控制式研究.pdf

通信开关电源的五种 PWM 反馈控制模式研究通信开关电源的五种 PWM 反馈控制模式研究 摘 要 摘 要 根据实际设计工作经验及有关参考文献比较详细地依据基本工作 原理图说明了电压模式峰值电流模式平均电流模式滞环电流模式相加模 式等 PWM 反馈控制模式的基本工作原理发展过程关键波形性能特点及应用 要点 关键词 关键词 脉冲宽度调制 反馈控制模式 开关电源 1 引言1 引言 PWM 开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化内部参数变化 外接负载变化的情况下控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反 馈调节主电路开关器件的导通脉冲宽度使得开关电源的输出电压或电流等被 控制信号稳定 PWM 的开关频率一般为恒定控制取样信号有输出电压输入 电压 输出电流 输出电感电压 开关器件峰值电流 由这些信号可以构成单环 双环或多环反馈系统 实现稳压稳流及恒定功率的目的同时可以实现一些附 带的过流保护抗偏磁均流等功能现在主要有五种 PWM 反馈控制模式下面 以 VDMOS 开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例说明五种 PWM 反馈控制模 式的发展过程基本工作原理详细电路原理示意图波形特点及应用要点 以利于选择应用及仿真建模研究 2 开关电源 PWM 的五种反馈控制模式2 开关电源 PWM 的五种反馈控制模式 一般来讲正激型开关电源主电路可用图 1 所示的降压斩波器简化表示,Ug 表示控制电路的 PWM 输出驱动信号根据选用不同的 PWM 反馈控制模式电路中 的输入电压 Uin输出电压 Uout开关器件电流由 b 点引出电感电流由 c 点 引出或 d 点引出均可作为取样控制信号 输出电压 Uout 在作为控制取样信号时 通常经过图 2 所示的电路进行处理 得到电压信号 Ue Ue 再经处理或直接送入 PWM 控制器 图 2 中电压运算放大器e/a的作用有三将输出电压与给定电压 Uref 的差值进行放大及反馈保证稳态时的稳压精度该运放的直流放大增益理论上 为无穷大实际上为运放的开环放大增益将开关电源主电路输出端的附带有 较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较干净的直 流反馈控制信号Ue即保留直流低频成分 衰减交流高频成分因为开关噪声的 频率较高幅值较大高频开关噪声衰减不够的话稳态反馈不稳高频开关噪 声衰减过大的话动态响应较慢虽然互相矛盾但是对电压误差运算放大器的 基本设计原则仍是低频增益要高高频增益要低对整个闭环系统进行校 正使得闭环系统稳定工作 输入电压电流等信号在作为取样控制信号时大多也需经过处理由于处理 方式不同下面介绍不同控制模式时再分别说明 2.1 电压模式控制 PWM Voltage-mode Control PWM2.1 电压模式控制 PWM Voltage-mode Control PWM 图 3a为 BUCK 降压斩波器的电压模式控制 PWM 反馈系统原理图 电压模式控 制 PWM 是 60 年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法 该方 法与一些必要的过电流保护电路相结合至今仍然在工业界很好地被广泛应用 电压模式控制只有一个电压反馈闭环采用脉冲宽度调制法即将电压误差放大 器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较通过脉冲宽 度调制原理得到当时的脉冲宽度见图 3a中波形所示逐个脉冲的限流保护 电路必须另外附加当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时因为主电路有 较大的输出电容 C 及电感 L 相移延时作用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 器将脉宽展宽这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因 电压模式控制的优点PWM 三角波幅值较大脉冲宽度调节时具有较好的抗 噪声裕量占空比调节不受限制对于多路输出电源它们之间的交互调节 效应较好 单一反馈电压闭环设计调试比较容易对输出负载的变化有较 好的响应调节缺点对输入电压的变化动态响应较慢补偿网络设计本来 就较为复杂闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂输出 LC 滤波器给控制 环增加了双极点在补偿设计误差放大器时需要将主极点低频衰减或者增加 一个零点进行补偿在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂 改善加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有二种一是增加电压误差放大 器的带宽保证具有一定的高频增益但是这样容易受高频开关噪声干扰影响 需要在主电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理另一 方法是采用电压前馈模式控制 PWM 技术原理如图 3b所示用输入电压对电阻 电容RFFCFF充电产生的具有可变化上斜坡的三角波取代传统电压模式控制 PWM 中振荡器产生的固定三角波此时输入电压变化能立刻在脉冲宽度的变化上反映 出来因此该方法对输入电压的变化引起的瞬态响应速度明显提高对输入电压 的前馈控制是开环控制而对输出电压的控制是闭环控制目的是增加对输入电 压变化的动态响应速度这是一个有开环和闭环构成的双环控制系统 2.2 峰值电流模式控制 PWM Peak Current-mode Control PWM2.2 峰值电流模式控制 PWM Peak Current-mode Control PWM 峰值电流模式控制简称电流模式控制 它的概念在 60 年代后期来源于具有原 边电流保护功能的单端自激式反激开关电源 在 70 年代后期才从学术上作深入地 建模研究 直至80年代初期 第一批电流模式控制PWM集成电路 UC3842 UC3846 的出现使得电流模式控制迅速推广应用主要用于单端及推挽电路近年来由 于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差 电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战如图 4 所示误差电压 信号 Ue 送至 PWM 比较器后并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角 波状电压斜坡比较而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波 形或梯形尖角状合成波形信号 U 比较然后得到 PWM 脉冲关断时刻因此峰值 电流模式控制不是用电压误差信号直接控制 PWM 脉冲宽度而是直接控制峰值输 出侧的电感电流大小然后间接地控制 PWM 脉冲宽度 电流模式控制是一种固定时钟开启 峰值电流关断的控制方法 因为峰值电感 电流容易传感而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致但是峰值电感 电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应因为在占空比不同的情况下相 同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小而平均电感电流大 小才是唯一决定输出电压大小的因素在数学上可以证明将电感电流下斜坡斜 率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜坡上可以去除不同占空比对平 均电感电流大小的扰动作用使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电 流 1 因而合成波形信号 U 要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构 成当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度峰值电流模式控制就会转化为 电压模式控制因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替就成为电 压模式控制只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号见图 4 所示 当输出电流减小峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制当处 于空载状态输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话峰值电流模式控 制就实际上变为电压模式控制了 峰值电流模式控制 PWM 是双闭环控制系统电压外环控制电流内环电流内 环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的功率级是由电流内环控制的电流源而电压 外环控制此功率级电流源在该双环控制中电流内环只负责输出电感的动态变 化因而电压外环仅需控制输出电容不必控制 LC 储能电路由于这些峰值电 流模式控制 PWM 具有比起电压模式控制大得多的带宽 峰值电流模式控制 PWM 的优点暂态闭环响应较快 对输入电压的变化和输 出负载的变化的瞬态响应均快控制环易于设计输入电压的调整可与电压 模式控制的输入电压前馈技术相妣美简单自动的磁通平衡功能瞬时峰值 电流限流功能 即内在固有的逐个脉冲限流功能自动均流并联功能缺点 占空比大于 50的开环不稳定性存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差 闭环响应不如平均电流模式控制理想容易发生次谐波振荡即使占空比小 于 50也有发生高频次谐波振荡的可能性因而需要斜坡补偿对噪声敏感 抗噪声性差因为电感处于连续储能电流状态与控制电压编程决定的电流电平 相比较开关器件的电流信号的上斜坡通常较小电流信号上的较小的噪声就很 容易使得开关器件改变关断时刻使系统进入次谐波振荡电路拓扑受限制 对多路输出电源的交互调节性能不好 2.3 平均电流模式控制 PWM Average Current-mode Control PWM2.3 平均电流模式控制 PWM Average Current-mode Control PWM 平均电流模式控制概念产生于 70 年代后期 平均电流模式控制 PWM 集成电路 出现在 90 年代初期成熟应用于 90 年代后期的高速 CPU 专用的具有高 di/dt 动 态响应供电能力的低电压大电流开关电源图 5a所示为平均电流模式控制 PWM 的原理图 1 将误差电压 Ue 接至电流误差信号放大器c/a的同相端作为输出 电感电流的控制编程电压信号 UcpU current- program带有锯齿纹波状分量 的输出电感电流信号 Ui 接至电流误差信号放大器c/a的反相端代表跟踪电流 编程信号Ucp的实际电感平均电流 Ui与Ucp的差值经过电流放大器c/a放大后 得到平均电流跟踪误差信号 Uca 再由 Uca 及三角锯齿波信号 UT或 Us 通过比较 器比较得到 PWM 关断时刻Uca 的波形与电流波形 Ui 反相所以是由 Uca 的下 斜坡对应于开关器件导通时期与三角波 UT或 Us 的上斜坡比较产生关断信号 显然这就无形中增加了一定的斜坡补偿为了避免次谐波振荡Uca 的上斜坡不 能超过三角锯齿波信号 UT或 Us 的上斜坡 平均电流模式控制的优点是平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信 号 不需要斜坡补偿调试好的电路抗噪声性能优越适合于任何电路拓 扑对输入或输出电流的控制易于实现均流缺点是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带宽增益等配合参数设计调试复杂 图 5b为增加输入电压前馈功能的平均电流模式控制非常适合输入电压变 化幅度大变化速度快的中国电网情况澳大利亚 R-T 公司的 48 V/100 A 半桥电 路通信开关电源模块实际上采用图 5b的控制方式 2.4 滞环电流模式控制 PWM Hysteretic Current-mode Control PWM2.4 滞环电流模式控制 PWM Hysteretic Current-mode Control PWM 滞环电流模式控制 PWM 为变频调制也可以为定频调制 2 图 6 所示为变频 调制的滞环电流模式控制 PWM 将电感电流信号与两个电压值比较 第一个较高的 控制电压值 UcUcUe由输出电压与基准电压的差值放大得到它控制开关器件的 关断时刻第二个较低电压值 Uch由控制电压 Uc减去一个固定电压值 Uh得到Uh 为滞环带Uch控制开关器件的开启时刻滞环电流模式控制是由输出电压值 Uout 控制电压值 Uc及 Uch三个电压值确定一个稳定状态 比电流模式控制多一个控制电 压值 Uch去除了发生次谐波振荡的可能性见图 6 右下示意图因为 Uch1Uch2图 6 右下示意图的情况不会出现 滞环电流控制模式的优点不需要斜坡补偿稳定性好不容易因噪声 发生不稳定振荡缺点需要对电感电流全周期的检测和控制变频控制容 易产生变频噪声 2.5 相加模式控制 PWM Summing-mode Control PWM2.5 相加模式控制 PWM Summing-mode Control PWM 图 7 所示为相加模式控制 PWM 的原理图与图 3 所示的电压模式控制有些相 似但有两点不同 3 一是放大器e/a是比例放大器没有电抗性补偿元件控 制电路中电容 C1 较小起滤除高频开关杂波作用主电路中的较小的 LfCf 滤 波电路如图中虚线所示,也可以不用也起减小输出高频杂波作用若输出高频 杂波小的话均可以不加因此电压误差放大没有延时环节电流放大也没有 大延时环节二是经过滤波后的电感电流信号 Ui也与电压误差信号 Ue相加在一起 构成一个总和信号 U 与三角锯齿波比较得到 PWM 控制脉冲宽度相加模式控制 PWM 是单环控制但它有输出电压输出电流两个输入参数如果输出电压或输 出电流变化那么占空比将按照补偿它们变化的方向而变化 相加控制模式的优点是动态响应快比普通电压模式控制快 35 倍动 态过冲电压小输出滤波电容需要较少相加模式控制中的 Ui注入信号容易用于 电源并联时的均流控制缺点是需要精心处理电流电压取样时的高频噪声抑 制 3 结论3 结论 1不同的 PWM 反馈控制模式具有各自不同的优缺点在设计开关电源选用时 要根据具体情况选择合适的 PWM 的控制模式 2各种控制模式 PWM 反馈方法的选择一定要结合考虑具体的开关电源的输入 输出电压要求主电路拓扑及器件选择输出电压的高频噪声大小占空比变化 范围等 3PWM 控制模式是发展变化的,是互相联系的在一定的条件下是可以互相转 化的 参考文献 参考文献 1 Power Supply Control ProductsPSData Book, Unitrode from Texas Instruments 2000 2 Anunciada V , Silva M New Constant-Frequency Current Mode Control for Power Converters, Stable for all values of Duty Ratio, and Usable in All Four Quadrants .IEEE Transaction on Industrial Electronics, 1990,374 4045 3 Lenk,Ron Summing-Mode Control,PCIM, 1999 ,52435