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、waijiefuzaibianhuadeqingkuangxia
，kongzhidianlutongguobeikongzhixinhaoyujizhunxinhaodechazhijinxingbihuanfankui
，tiaojiezhudianlukaiguanqijiandedaotongmaichongkuandu
，shidekaiguandianyuandeshuchudianyahuodianliudengbeikongzhixinhaowending。 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。對於定頻調寬的PWM閉環反饋控製係統，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。

 

 

 

如圖1所示為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shi六liu十shi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起qi就jiu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波bo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tu1A中(zhong)波(bo)形(xing)所(suo)示(shi)。逐(zhu)個(ge)脈(mai)衝(chong)的(de)限(xian)流(liu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)必(bi)須(xu)另(ling)外(wai)附(fu)加(jia)。主(zhu)要(yao)缺(que)點(dian)是(shi)暫(zan)態(tai)響(xiang)應(ying)慢(man)。當(dang)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)突(tu)然(ran)變(bian)小(xiao)或(huo)負(fu)載(zai)阻(zu)抗(kang)突(tu)然(ran)變(bian)小(xiao)時(shi)
，因(yin)為(wei)有(you)較(jiao)大(da)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)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。圖1A電壓誤差運算放大器(E/A)的作用有三：①將jiang輸shu出chu電dian壓ya與yu給gei定ding電dian壓ya的de差cha值zhi進jin行xing放fang大da及ji反fan饋kui，保bao證zheng穩wen態tai時shi的de穩wen壓ya精jing度du。該gai運yun放fang的de直zhi流liu放fang大da增zeng益yi理li論lun上shang為wei無wu窮qiong大da

，實shi際ji上shang為wei運yun放fang的de開kai環huan放fang大da增zeng益yi。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(VE)。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。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。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二：一yi是shi增zeng加jia電dian壓ya誤wu差cha放fang大da器qi的de帶dai寬kuan
，保bao證zheng具ju有you一yi定ding的de高gao頻pin增zeng益yi。但dan是shi這zhe樣yang比bi較jiao容rong易yi受shou高gao頻pin開kai關guan噪zao聲sheng幹gan擾rao影ying響xiang，需xu要yao在zai主zhu電dian路lu及ji反fan饋kui控kong製zhi電dian路lu上shang采cai取qu措cuo施shi進jin行xing抑yi製zhi或huo同tong相xiang位wei衰shuai減jian平ping滑hua處chu理li。另ling一yi方fang法fa是shi采cai用yong電dian壓ya前qian饋kui模mo式shi控kong製zhi PWM技術，如圖1B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波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)。因(yin)為(wei)此(ci)時(shi)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)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)，目(mu)的(de)為(wei)了(le)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)。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)。因(yin)而(er)
，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)。

 

fengzhidianliumoshikongzhijianchengdianliumoshikongzhi，tadegainianzailiushiniandaihouqilaiyuanyujuyouyuanbiandianliubaohugongnengdedanduanzijishifanjikaiguandianyuan。zaiqishiniandaihouqicaicongxueshushangzuoshenrudijianmoyanjiu。zhizhibashiniandaichuqi，diyipidianliumoshikongzhiPWM集ji成cheng電dian路lu的de出chu現xian使shi得de電dian流liu模mo式shi控kong製zhi迅xun速su推tui廣guang應ying用yong。主zhu要yao用yong於yu單dan端duan及ji推tui挽wan電dian路lu。近jin年nian來lai，由you於yu大da占zhan空kong比bi時shi所suo必bi需xu的de同tong步bu不bu失shi真zhen斜xie坡po補bu償chang技ji術shu實shi現xian上shang的de難nan度du及ji抗kang噪zao聲sheng性xing能neng差cha
，電dian流liu模mo式shi控kong製zhi麵mian臨lin著zhe改gai善shan性xing能neng後hou的de電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi的de挑tiao戰zhan。因yin為wei這zhe種zhong改gai善shan性xing能neng的de電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi加jia有you輸shu入ru電dian壓ya前qian饋kui功gong能neng，並bing有you完wan善shan的de多duo重zhong電dian流liu保bao護hu等deng功gong能neng，在zai控kong製zhi功gong能neng上shang已yi具ju備bei大da部bu分fen電dian流liu模mo式shi控kong製zhi的de優you點dian，而er在zai實shi現xian上shang難nan度du不bu大da
，技ji術shu較jiao為wei成cheng熟shu。

 

如圖2所示，由輸出電壓VOUT 與基準信號VREF的差值經過運放(E/A)放大得到的誤差電壓信號 VE 送至PWM比bi較jiao器qi後hou，並bing不bu是shi象xiang電dian壓ya模mo式shi那na樣yang與yu振zhen蕩dang電dian路lu產chan生sheng的de固gu定ding三san角jiao波bo狀zhuang電dian壓ya斜xie波bo比bi較jiao，而er是shi與yu一yi個ge變bian化hua的de其qi峰feng值zhi代dai表biao輸shu出chu電dian感gan電dian流liu峰feng值zhi的de三san角jiao狀zhuang波bo形xing或huo梯ti形xing尖jian角jiao狀zhuang合he成cheng波bo形xing信xin號haoVΣ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波bo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波bo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yin而er合he成cheng波bo形xing信xin號haoVΣyaoyouxiepobuchangxinhaoyushijidiangandianliuxinhaoliangbufenhechenggoucheng。dangwaijiabuchangxiepoxinhaodexielvzengjiadaoyidingchengdu，fengzhidianliumoshikongzhijiuhuizhuanhuaweidianyamoshikongzhi。yinweiruojiangxiepobuchangxinhaowanquanyongzhendangdianludesanjiaobodaiti，jiuchengweidianyamoshikongzhi
，zhibuguocishidedianliuxinhaokeyirenweishiyizhongdianliuqiankuixinhao，jiantu2所示。當輸出電流減小
，峰值電流模式控製就從原理上趨向於變為電壓模式控製。

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feng值zhi電dian流liu模mo式shi控kong製zhiPWM是雙閉環控製係統，電壓外環控製電流內環。電流內環是瞬時快速的
，是按照逐個脈衝工作的。

 

功(gong)率(lv)級(ji)是(shi)由(you)電(dian)流(liu)內(nei)環(huan)控(kong)製(zhi)的(de)電(dian)流(liu)源(yuan)
，而(er)電(dian)壓(ya)外(wai)環(huan)控(kong)製(zhi)此(ci)功(gong)率(lv)級(ji)電(dian)流(liu)源(yuan)。在(zai)該(gai)雙(shuang)環(huan)控(kong)製(zhi)中(zhong)，電(dian)流(liu)內(nei)環(huan)隻(zhi)負(fu)責(ze)輸(shu)出(chu)電(dian)感(gan)的(de)動(dong)態(tai)變(bian)化(hua)，因(yin)而(er)電(dian)壓(ya)外(wai)環(huan)僅(jin)需(xu)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)，不(bu)必(bi)控(kong)製(zhi)LC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的優點是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

，內在固有的逐個脈衝限流功能。⑥自動均流並聯功能。 缺點是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。④duizaoshengmingan，kangzaoshengxingcha。yinweidianganchuyulianxuchunengdianliuzhuangtai，yukongzhidianyabianchengjuedingdedianliudianpingxiangbijiao
，kaiguanqijiandedianliuxinhaodeshangxiebotongchangjiaoxiao
，dianliuxinhaoshangdejiaoxiaodezaoshengjiuhenrongyishidekaiguanqijiangaibianguanduanshike

，shixitongjinrucixiebozhendang。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。峰值電流模式控製PWM最主要的應用障礙是容易振蕩及抗噪聲性差。振蕩可以來源於：器(qi)件(jian)開(kai)啟(qi)時(shi)的(de)反(fan)向(xiang)恢(hui)複(fu)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)流(liu)尖(jian)刺(ci)
，噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)，斜(xie)波(bo)補(bu)償(chang)瞬(shun)態(tai)幅(fu)值(zhi)不(bu)足(zu)等(deng)。峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)容(rong)易(yi)在(zai)開(kai)機(ji)啟(qi)動(dong)及(ji)電(dian)壓(ya)或(huo)負(fu)載(zai)突(tu)然(ran)較(jiao)大(da)變(bian)化(hua)時(shi)發(fa)生(sheng)振(zhen)蕩(dang)。

 

平均電流模式控製概念產生於七十年代後期。平均電流模式控製 PWM集成電路出現在九十年代初期，成熟應用於九十年代後期。平均電流模式控製的發展動力有三：一是峰值電流模式控製PWM在應用推廣時碰到許多嚴重問題
；二是INTEL公司的高速CPU集成電路需要具有高DI/DT動態響應供電能力的低電壓大電流開關電源
；三是在八十年代後期平均電流模式控製理論研究上的進展。圖3.A所示為平均電流模式控製PWM的原理圖。輸出電壓信號VOUT與基準給定電壓VREF的差值經過電壓誤差放大器E/A放大後得到誤差電壓VE，它接至電流誤差信號放大器CA的同相端，作為輸出電感電流的控製編程電壓信號VCP(V CURRENT- PROGRAM)。

而帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流信號VI接至電流誤差信號放大器CA的反相端，代表跟蹤電流編程信號VCP的實際電感平均電流。VI 與VCP的差值經過電流放大器CA的放大後，得到平均電流跟蹤誤差信號VCA。再由VCA及三角鋸齒波信號VT或VS通過比較器比較得到PWM關斷時刻。 VCA的波形與電流波形VI反相，所以
，是由VCA的下斜波(對應於開關器件導通時期)與三角波VT或VS的上斜波比較產生關斷信號。顯然，這就意味著無形中增加了一定的斜坡補償。為了避免次諧波振蕩，VCA的上斜坡不能超過三角鋸齒波信號VT或VS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3.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3.B的控製方式。

 

滯環電流模式控製PWM為變頻調製
，也可以為定頻調製。 如圖4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VC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VCH由控製電壓VC減去一個固定電壓值VH得到，VH叫做滯環帶，VCH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VOUT、控製電壓值VC及VCH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VCH
，去除了發生次諧波振蕩的可能性
，見圖4右下示意圖。因為VCH1=VCH2，圖4右下示意圖中的情況不會出現。其優點：①不需要斜波補償。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。

 

圖5所示為相加模式控製PWM的原理圖。與圖1.A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(ye)起(qi)減(jian)小(xiao)輸(shu)出(chu)高(gao)頻(pin)雜(za)波(bo)作(zuo)用(yong)。若(ruo)輸(shu)出(chu)高(gao)頻(pin)雜(za)波(bo)小(xiao)的(de)話(hua)，均(jun)可(ke)以(yi)不(bu)加(jia)。因(yin)此(ci)
，電(dian)壓(ya)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)沒(mei)有(you)延(yan)時(shi)環(huan)節(jie)，電(dian)流(liu)放(fang)大(da)也(ye)沒(mei)有(you)大(da)延(yan)時(shi)環(huan)節(jie)。二(er)是(shi)經(jing)過(guo)濾(lv)波(bo)後(hou)的(de)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)VI也與電壓誤差信號VE相加在一起構成一個總和信號 VΣ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。其優點是：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VI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。

 

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。

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。 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。