中心議題：

• 開關電源PWM的五種反饋控製模式的優缺點

解決方案：

• 電壓模式控製PWM
• 峰值電流模式控製PWM
• 平均電流模式控製PWM
• 滯環電流模式控製PWM
• 相加模式控製PWM

PWM開關穩壓或穩流電源基本工作原理就是在輸入電壓變化、內部參數變化、外(wai)接(jie)負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)

，控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)通(tong)過(guo)被(bei)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)與(yu)基(ji)準(zhun)信(xin)號(hao)的(de)差(cha)值(zhi)進(jin)行(xing)閉(bi)環(huan)反(fan)饋(kui)
，調(tiao)節(jie)主(zhu)電(dian)路(lu)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)的(de)導(dao)通(tong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)，使(shi)得(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)等(deng)被(bei)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)穩(wen)定(ding)。PWM的開關頻率一般為恒定，控製取樣信號有：輸出電壓、輸入電壓
、輸出電流、輸出電感電壓、開關器件峰值電流。由這些信號可以構成單環、雙環或多環反饋係統，實現穩壓、穩流及恒定功率的目的，同時可以實現一些附帶的過流保護、抗偏磁、均流等功能。現在主要有五種PWM反饋控製模式。下麵以VDMOS開關器件構成的穩壓正激型降壓斬波器為例
，說明五種PWM反饋控製模式的發展過程
、基本工作原理、詳細電路原理示意圖
、波形
、特點及應用要點
，以利於選擇應用及仿真建模研究。
　　
開關電源PWM的五種反饋控製模式
　　
一般來講
，正激型開關電源主電路可用圖1所示的降壓斬波器簡化表示,Ug表示控製電路的PWM輸出驅動信號。根據選用不同的PWM反饋控製模式
，電路中的輸入電壓Uin、輸出電壓Uout、開關器件電流(由b點引出)、電感電流(由c點引出或d點引出)均可作為取樣控製信號。

輸出電壓Uout在作為控製取樣信號時，通常經過圖2所示的電路進行處理，得到電壓信號Ue，Ue再經處理或直接送入PWM控製器。圖2中電壓運算放大器(e/a)的作用有三：

①將輸出電壓與給定電壓Uref的差值進行放大及反饋，保證穩態時的穩壓精度。該運放的直流放大增益理論上為無窮大，實際上為運放的開環放大增益。

②將開關電源主電路輸出端的附帶有較寬頻帶開關噪聲成分的直流電壓信號轉變為具有一定幅值的比較“幹淨”的直流反饋控製信號(Ue)即保留直流低頻成分，衰減交流高頻成分。因為開關噪聲的頻率較高，幅值較大，高頻開關噪聲衰減不夠的話
，穩態反饋不穩;高頻開關噪聲衰減過大的話，動態響應較慢。雖然互相矛盾
，但是對電壓誤差運算放大器的基本設計原則仍是“低頻增益要高，高頻增益要低”。

③對整個閉環係統進行校正
，使得閉環係統穩定工作。
　　

輸入電壓、電流等信號在作為取樣控製信號時

，大多也需經過處理。由於處理方式不同，下麵介紹不同控製模式時再分別說明。
　　
1電壓模式控製PWM(Voltage-modeControlPWM)
　　
圖3(a)為BUCK降壓斬波器的電壓模式控製PWM反饋係統原理圖。電壓模式控製PWM是60年(nian)代(dai)後(hou)期(qi)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)剛(gang)剛(gang)開(kai)始(shi)發(fa)展(zhan)而(er)采(cai)用(yong)的(de)第(di)一(yi)種(zhong)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)。該(gai)方(fang)法(fa)與(yu)一(yi)些(xie)必(bi)要(yao)的(de)過(guo)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)相(xiang)結(jie)合(he)，至(zhi)今(jin)仍(reng)然(ran)在(zai)工(gong)業(ye)界(jie)很(hen)好(hao)地(di)被(bei)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。電(dian)壓(ya)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)電(dian)壓(ya)反(fan)饋(kui)閉(bi)環(huan)

，采(cai)用(yong)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)調(tiao)製(zhi)法(fa)

，即(ji)將(jiang)電(dian)壓(ya)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)采(cai)樣(yang)放(fang)大(da)的(de)慢(man)變(bian)化(hua)的(de)直(zhi)流(liu)信(xin)號(hao)與(yu)恒(heng)定(ding)頻(pin)率(lv)的(de)三(san)角(jiao)波(bo)上(shang)斜(xie)坡(po)相(xiang)比(bi)較(jiao)
，通(tong)過(guo)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)調(tiao)製(zhi)原(yuan)理(li)，得(de)到(dao)當(dang)時(shi)的(de)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)，見(jian)圖(tu)3(a)中波形所示。逐個脈衝的限流保護電路必須另外附加。當輸入電壓突然變小或負載阻抗突然變小時，因為主電路有較大的輸出電容C及電感L相移延時作用，輸出電壓的變小也延時滯後，輸出電壓變小的信息還要經過電壓誤差放大器的補償電路延時滯後


，才能傳至PWM比較器將脈寬展寬。這兩個延時滯後作用是暫態響應慢的主要原因。


電壓模式控製的優點：
①PWM三角波幅值較大
，脈衝寬度調節時具有較好的抗噪聲裕量;
②占空比調節不受限製;
③對於多路輸出電源
，它們之間的交互調節效應較好;
④單一反饋電壓閉環設計、調試比較容易;
⑤對輸出負載的變化有較好的響應調節。
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缺點：
①對輸入電壓的變化動態響應較慢;
②補償網絡設計本來就較為複雜，閉環增益隨輸入電壓而變化使其更為複雜;
③輸出LC濾波器給控製環增加了雙極點，在補償設計誤差放大器時
，需要將主極點低頻衰減

，或者增加一個零點進行補償;④在傳感及控製磁芯飽和故障狀態方麵較為麻煩複雜。
　　
改善加快電壓模式控製瞬態響應速度的方法有二種：yishizengjiadianyawuchafangdaqidedaikuan，baozhengjuyouyidingdegaopinzengyi。danshizheyangrongyishougaopinkaiguanzaoshengganraoyingxiang，xuyaozaizhudianlujifankuikongzhidianlushangcaiqucuoshijinxingyizhihuotongxiangweishuaijianpinghuachuli;另一方法是采用電壓前饋模式控製PWM技術，原理如圖3(b)所示。用輸入電壓對電阻電容(RFF、CFF)充電產生的具有可變化上斜坡的三角波取代傳統電壓模式控製PWM中zhong振zhen蕩dang器qi產chan生sheng的de固gu定ding三san角jiao波bo。此ci時shi輸shu入ru電dian壓ya變bian化hua能neng立li刻ke在zai脈mai衝chong寬kuan度du的de變bian化hua上shang反fan映ying出chu來lai，因yin此ci該gai方fang法fa對dui輸shu入ru電dian壓ya的de變bian化hua引yin起qi的de瞬shun態tai響xiang應ying速su度du明ming顯xian提ti高gao。對dui輸shu入ru電dian壓ya的de前qian饋kui控kong製zhi是shi開kai環huan控kong製zhi，而er對dui輸shu出chu電dian壓ya的de控kong製zhi是shi閉bi環huan控kong製zhi，目mu的de是shi增zeng加jia對dui輸shu入ru電dian壓ya變bian化hua的de動dong態tai響xiang應ying速su度du。這zhe是shi一yi個ge有you開kai環huan和he閉bi環huan構gou成cheng的de雙shuang環huan控kong製zhi係xi統tong。



2峰值電流模式控製PWM(PeakCurrent-modeControlPWM)
　　
峰值電流模式控製簡稱電流模式控製。它的概念在60年代後期來源於具有原邊電流保護功能的單端自激式反激開關電源。在70年代後期才從學術上作深入地建模研究。直至80年代初期，第一批電流模式控製PWM集成電路(UC3842、UC3846)dechuxianshidedianliumoshikongzhixunsutuiguangyingyong，zhuyaoyongyudanduanjituiwandianlu。jinnianlai
，youyudazhankongbishisuobixudetongbubushizhenxiepobuchangjishushixianshangdenandujikangzaoshengxingnengcha，dianliumoshikongzhimianlinzhegaishanxingnenghoudedianyamoshikongzhidetiaozhan。rutu4所示，誤差電壓信號Ue送至PWMbijiaoqihou

，bingbushixiangdianyamoshinayangyuzhendangdianluchanshengdegudingsanjiaobozhuangdianyaxiepobijiao，ershiyuyigebianhuadeqifengzhidaibiaoshuchudiangandianliufengzhidesanjiaozhuangboxinghuotixingjianjiaozhuanghechengboxingxinhaoUΣ比較，然後得到PWM脈衝關斷時刻。因此(峰值)電流模式控製不是用電壓誤差信號直接控製PWM脈衝寬度，而是直接控製峰值輸出側的電感電流大小
，然後間接地控製PWM脈衝寬度。
　　
電流模式控製是一種固定時鍾開啟、峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)關(guan)斷(duan)的(de)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)。因(yin)為(wei)峰(feng)值(zhi)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)容(rong)易(yi)傳(chuan)感(gan)，而(er)且(qie)在(zai)邏(luo)輯(ji)上(shang)與(yu)平(ping)均(jun)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)變(bian)化(hua)相(xiang)一(yi)致(zhi)。但(dan)是(shi)，峰(feng)值(zhi)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)的(de)大(da)小(xiao)不(bu)能(neng)與(yu)平(ping)均(jun)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)一(yi)一(yi)對(dui)應(ying)，因(yin)為(wei)在(zai)占(zhan)空(kong)比(bi)不(bu)同(tong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)
，相(xiang)同(tong)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)的(de)大(da)小(xiao)可(ke)以(yi)對(dui)應(ying)不(bu)同(tong)的(de)平(ping)均(jun)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)。而(er)平(ping)均(jun)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)才(cai)是(shi)唯(wei)一(yi)決(jue)定(ding)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)大(da)小(xiao)的(de)因(yin)素(su)。在(zai)數(shu)學(xue)上(shang)可(ke)以(yi)證(zheng)明(ming)，將(jiang)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)下(xia)斜(xie)坡(po)斜(xie)率(lv)的(de)至(zhi)少(shao)一(yi)半(ban)以(yi)上(shang)斜(xie)率(lv)加(jia)在(zai)實(shi)際(ji)檢(jian)測(ce)電(dian)流(liu)的(de)上(shang)斜(xie)坡(po)上(shang)，可(ke)以(yi)去(qu)除(chu)不(bu)同(tong)占(zhan)空(kong)比(bi)對(dui)平(ping)均(jun)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)的(de)擾(rao)動(dong)作(zuo)用(yong)
，使(shi)得(de)所(suo)控(kong)製(zhi)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)最(zui)後(hou)收(shou)斂(lian)於(yu)平(ping)均(jun)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)。

因而合成波形信號UΣ要yao有you斜xie坡po補bu償chang信xin號hao與yu實shi際ji電dian感gan電dian流liu信xin號hao兩liang部bu分fen合he成cheng構gou成cheng。當dang外wai加jia補bu償chang斜xie坡po信xin號hao的de斜xie率lv增zeng加jia到dao一yi定ding程cheng度du，峰feng值zhi電dian流liu模mo式shi控kong製zhi就jiu會hui轉zhuan化hua為wei電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi。因yin為wei若ruo將jiang斜xie坡po補bu償chang信xin號hao完wan全quan用yong振zhen蕩dang電dian路lu的de三san角jiao波bo代dai替ti，就jiu成cheng為wei電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi

，隻zhi不bu過guo此ci時shi的de電dian流liu信xin號hao可ke以yi認ren為wei是shi一yi種zhong電dian流liu前qian饋kui信xin號hao，見jian圖tu4所(suo)示(shi)。當(dang)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)減(jian)小(xiao)，峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)就(jiu)從(cong)原(yuan)理(li)上(shang)趨(qu)向(xiang)於(yu)變(bian)為(wei)電(dian)壓(ya)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)。當(dang)處(chu)於(yu)空(kong)載(zai)狀(zhuang)態(tai)，輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)為(wei)零(ling)並(bing)且(qie)斜(xie)坡(po)補(bu)償(chang)信(xin)號(hao)幅(fu)值(zhi)比(bi)較(jiao)大(da)的(de)話(hua)，峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)就(jiu)實(shi)際(ji)上(shang)變(bian)為(wei)電(dian)壓(ya)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)了(le)。
　　
峰值電流模式控製PWMshishuangbihuankongzhixitong

，dianyawaihuankongzhidianliuneihuan。dianliuneihuanshishunshikuaisuanzhaozhugemaichonggongzuode。gonglvjishiyoudianliuneihuankongzhidedianliuyuan，erdianyawaihuankongzhicigonglvjidianliuyuan。zaigaishuanghuankongzhizhong
，dianliuneihuanzhifuzeshuchudiangandedongtaibianhua，yinerdianyawaihuanjinxukongzhishuchudianrong，bubikongzhiLC儲能電路。由於這些，峰值電流模式控製PWM具有比起電壓模式控製大得多的帶寬。
　　
峰值電流模式控製PWM的優點:
①暫態閉環響應較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態響應均快;
②控製環易於設計;
③輸入電壓的調整可與電壓模式控製的輸入電壓前饋技術相妣美;
④簡單自動的磁通平衡功能;
⑤瞬時峰值電流限流功能
，即內在固有的逐個脈衝限流功能;
⑥自動均流並聯功能。

缺點：①占空比大於50%的開環不穩定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差;
②閉環響應不如平均電流模式控製理想;
③容易發生次諧波振蕩，即使占空比小於50%，也有發生高頻次諧波振蕩的可能性。因而需要斜坡補償;
④對(dui)噪(zao)聲(sheng)敏(min)感(gan)
，抗(kang)噪(zao)聲(sheng)性(xing)差(cha)。因(yin)為(wei)電(dian)感(gan)處(chu)於(yu)連(lian)續(xu)儲(chu)能(neng)電(dian)流(liu)狀(zhuang)態(tai)，與(yu)控(kong)製(zhi)電(dian)壓(ya)編(bian)程(cheng)決(jue)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)電(dian)平(ping)相(xiang)比(bi)較(jiao)
，開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)的(de)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)的(de)上(shang)斜(xie)坡(po)通(tong)常(chang)較(jiao)小(xiao)
，電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)上(shang)的(de)較(jiao)小(xiao)的(de)噪(zao)聲(sheng)就(jiu)很(hen)容(rong)易(yi)使(shi)得(de)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)改(gai)變(bian)關(guan)斷(duan)時(shi)刻(ke)，使(shi)係(xi)統(tong)進(jin)入(ru)次(ci)諧(xie)波(bo)振(zhen)蕩(dang);
⑤電路拓撲受限製;⑥對多路輸出電源的交互調節性能不好。
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3平均電流模式控製PWM(AverageCurrent-modeControlPWM)
　　
平均電流模式控製概念產生於70年代後期。平均電流模式控製PWM集成電路出現在90年代初期
，成熟應用於90年代後期的高速CPU專用的具有高di/dt動態響應供電能力的低電壓大電流開關電源。圖5(a)所示為平均電流模式控製PWM的原理圖。將誤差電壓Ue接至電流誤差信號放大器(c/a)的同相端，作為輸出電感電流的控製編程電壓信號Ucp(Ucurrent-program)。帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流信號Ui接至電流誤差信號放大器(c/a)的反相端，代表跟蹤電流編程信號Ucp的實際電感平均電流。Ui與Ucp的差值經過電流放大器(c/a)放大後，得到平均電流跟蹤誤差信號Uca。再由Uca及三角鋸齒波信號UT或Us通過比較器比較得到PWM關斷時刻。Uca的波形與電流波形Ui反相
，所以，是由Uca的下斜坡(對應於開關器件導通時期)與三角波UT或Us的上斜坡比較產生關斷信號。顯然，這就無形中增加了一定的斜坡補償。為了避免次諧波振蕩
，Uca的上斜坡不能超過三角鋸齒波信號UT或Us的上斜坡。


平均電流模式控製的優點是：
①平均電感電流能夠高度精確地跟蹤電流編程信號;
②不需要斜坡補償;
③調試好的電路抗噪聲性能優越;
④適合於任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控製;
⑤易於實現均流。

缺點是：
①電流放大器在開關頻率處的增益有最大限製;
②雙閉環放大器帶寬、增益等配合參數設計調試複雜。
　　
圖5(b)為增加輸入電壓前饋功能的平均電流模式控製，非常適合輸入電壓變化幅度大
、變化速度快的中國電網情況。澳大利亞R-T公司的48V/100A半橋電路通信開關電源模塊實際上采用圖5(b)的控製方式。

4滯環電流模式控製PWM(HystereticCurrent-modeControlPWM)
　　
滯環電流模式控製PWM為變頻調製，也可以為定頻調製。圖6所示為變頻調製的滯環電流模式控製PWM。將電感電流信號與兩個電壓值比較，第一個較高的控製電壓值Uc(Uc=Ue)由輸出電壓與基準電壓的差值放大得到，它控製開關器件的關斷時刻;第二個較低電壓值Uch由控製電壓Uc減去一個固定電壓值Uh得到
，Uh為滯環帶
，Uch控製開關器件的開啟時刻。滯環電流模式控製是由輸出電壓值Uout、控製電壓值Uc及Uch三個電壓值確定一個穩定狀態
，比電流模式控製多一個控製電壓值Uch
，去除了發生次諧波振蕩的可能性，見圖6右下示意圖。因為Uch1=Uch2
，圖6右下示意圖的情況不會出現。


　
滯環電流控製模式的優點：
①不需要斜坡補償;
②穩定性好，不容易因噪聲發生不穩定振蕩。

缺點：
①需要對電感電流全周期的檢測和控製;
②變頻控製容易產生變頻噪聲。
　　
5相加模式控製PWM(Summing-modeControlPWM)
　　
圖7所示為相加模式控製PWM的原理圖。與圖3所示的電壓模式控製有些相似
，但有兩點不同：一是放大器(e/a)是比例放大器，沒有電抗性補償元件。控製電路中電容C1較小
，起濾除高頻開關雜波作用。主電路中的較小的Lf
、Cf濾波電路(如圖中虛線所示,也可以不用)也起減小輸出高頻雜波作用。若輸出高頻雜波小的話，均可以不加。因此，電壓誤差放大沒有延時環節，電流放大也沒有大延時環節;

二是經過濾波後的電感電流信號Ui也與電壓誤差信號Ue相加在一起構成一個總和信號UΣ與三角鋸齒波比較，得到PWM控製脈衝寬度。相加模式控製PWM是單環控製，但它有輸出電壓、輸出電流兩個輸入參數。如果輸出電壓或輸出電流變化，那麼占空比將按照補償它們變化的方向而變化。
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相加控製模式的優點是：動態響應快(比普通電壓模式控製快3～5倍)，動態過衝電壓小，輸出濾波電容需要較少。相加模式控製中的Ui注入信號容易用於電源並聯時的均流控製。缺點是：需要精心處理電流、電壓取樣時的高頻噪聲抑製。
　　
1)不同的PWM反饋控製模式具有各自不同的優缺點
，在設計開關電源選用時要根據具體情況選擇合適的PWM的控製模式。
　　
2)各種控製模式PWM反饋方法的選擇一定要結合考慮具體的開關電源的輸入輸出電壓要求、主電路拓撲及器件選擇、輸出電壓的高頻噪聲大小
、占空比變化範圍等。
　　
3)PWM控製模式是發展變化的,是互相聯係的，在一定的條件下是可以互相轉化的。