开关电源中的电流型控制模式
摘要：讨论了开关电源中电流反馈控制模式的工作原理、优缺点，以及与之有关的斜波补偿技术。
关键词：开关电源；电流型控制；斜波补偿
1引言
PWM型开关稳压电源是一个闭环控制系统,其基本工作原理就是在输入电压、内部元器件参数、外接负载等因素发生变化时，通过检测被控制信号与基准信号的差值，利用差值调节主电路功率开关器件的导通脉冲宽度，从而改变输出电压的平均值，使得开关电源的输出电压保持稳定。
以开关电源中的降压型变换为例（其它类型如正激型、推挽型等，均可由降压型派生得到），图1表示了该变换器的主电路的基本拓扑结构。
图1降压型开关电源
根据选用不同的PWM控制模式，图1电路中的输入电压Uin、输出电压Uo、开关功率器件电流(可从A点采样)、输出电感电流(可从B或C点采样)均可作为控制信号，用于完成稳压调节过程。目前在开关电源中广泛使用的控制方式是通过对输出电压或电流(功率开关器件或输出电感上流过的电流)进行采样，即形成2类控制方式：电压控制模式与电流控制模式。
2电流控制模式的工作原理
图2为检测输出电感电流的电流型控制的基本原理框图。它的主要特点是：将采样得到的电感电流直接反馈去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值电流直接跟随电压反馈电路中误差放大器输出的信号。从图2中可以看出,与单一闭环的电压控制模式相比,电流模式控制是双闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，内环由互感器采样输出电感电流形成。在该双环控制中，由电压外环控制电流内环，即内环电流在每一开关周期内上升，直至达到电压外环设定的误差电压阈值。电流内环是瞬时快速进行逐个脉冲比较工作的，并且监测输出电感电流的动态变化，电压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压型控制模式大得多的带宽。
图2检测输出电感电流的电流型控制原理框图
实际电路以单端正激型电源为例，如图3所示。误差电压信号Ue送至PWM比较器后，并不是像电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜波比较调宽，而是与一个变化的、峰值代表功率开关上的电流信号(由Rs上采样得到)的三角状波形信号(电感电流不连续)或矩形波上端叠加三角波合成波形信号(电感电流连续)比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。在电路中，电流的采样通常使用一只在MOSFET源极与地之间串联的电阻完成，有时为了提高效率，也可通过在MOSFET源极上接一只电流互感器获得电流采样信号。图4为各相关点的波形。
图3电路稳压原理可以简述如下：当输入电压变化时，由于变压器的初级电流上升率发生变化，即Ur波形上端的三角波部分的斜率变化，导致Ur与Ue相交的时间提前或滞后，从而使输出脉冲宽度变化，达到输出电压值的稳定；而当负载发生变化时，Ur与Ue同时变大或变小，使得电感电流对输出滤波电容的充电电流发生变化，以保持输出电压稳定。
3电流型控制的优缺点
3 1电流型控制模式的优点
1)线性调整率（电压调整率）非常好，这是因为输入电压的变化立即反映为电感电流的变化，无须经过误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度，再加上输出电压到误差放大器的控制，使得电压调整率更好。由于对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应快，故适合于负载快速变化时对响应速度要求较高的场所。
2)虽然电源的L－C滤波电路为二阶电路，但增加了电流内环控制后，只有当误差电压发生变化时，才会导致电感电流发生变化。即误差电压决定电感电流上升的程度，进而决定功率开关的占空比。因此，可看作是一个电流源，电感电流与负载电流之间有了一定的约束关系，使电感电流不再是独立变量，整个反馈电路变成了一阶电路，由于反馈信号电路与电压型相比，减少了一阶，因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化，稳定度得以提高并且改善了频响，具有更大的增益带宽乘积。
3)在推挽型和全桥型开关电源中，由于2个开关器件本身的压降和开关延迟时间不一定完全一致等原因，容易引起变压器的直流偏磁。采用电流型控制，由于峰值电感电流提供自动的磁通平衡功能，可以有效地减少或消除直流偏磁，避免了变压器的磁饱和。
4)具有瞬时峰值电流限流功能，这是由于受控的电流在上升到设定值时，会使PWM停止输出，因此电流型自身具有固有的逐个脉冲限流功能，在电路中不必另外附加限流保护电路；而且这种峰值电感电流检测技术可以较精确地限制最大电流，从而使开关电源中的功率变压器和开关管不必有较大的冗余，就能保证可靠工作。
5）使用电流型控制，简化了反馈控制补偿网络、负载限流、磁通平衡等电路的设计，减少了元器件的数量和成本，这对提高开关电源的功率密度，实现小型化，模块化具有重要的意义。
3 2电流型控制模式的缺点
1)占空比大于50％时系统可能出现不稳定性，可能会产生次谐波振荡；另外，在电路拓扑结构选择上也有局限，在升压型和降压－升压型电路中，由于储能电感不在输出端，存在峰值电流与平均电流的误差。
2)对噪声敏感，抗噪声性差。因为电感处于连续储能电流状态，开关器件的电流信号的上升斜坡斜率通常较小，电流信号上的较小的噪声就很容易使得控制误动作，改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡。
图3单端正激式开关电源
图4单端正激式电路各相关点波形
图5D<0.5时的波形
图6D>0.5时的波形
图7D>0.5时加斜波补偿后的波形
3)在要求输入／输出隔离的电路类型中，对隔离变压器的设计要求较高。例如在单端正激式电路中，为保证从开关管上取样的电流斜波具有一定的斜率，要求变压器初级的电感量较小，但这样会使励磁电流增加，效率下降。因此需要协调好二者的关系。
4）电流型控制不大适合于半桥型开关电源。这是因为在半桥式电路中，通过桥臂2只电容的放电维持变压器初级绕组的伏－秒平衡；当电流型控制通过改变占空比而纠正伏－秒不平衡时，会导致这2只电容放电不平衡，使电容分压偏离中心点，然而电流型控制在此情况下试图进一步改变占空比，使电容分压更加偏离中心点，形成恶性循环。
4电流型控制模式中的斜波补偿
4.1电流型控制存在问题的改善
针对电流型控制中的主要缺点，目前许多电流型控制PWM芯片均提供了斜波补偿功能，它可以有效改善电流型控制中存在的以下几个问题：
1）开环不稳定性电流型电源的占空比大于50％时，就存在电流控制内环工作不稳定的问题。如果给电流控制内环增加一个斜波补偿信号，则变换器可以在任何脉冲占空比情况下正常工作。斜波补偿工作原理如下所述。
图5表示了由误差电压Ue控制的电流型变换器的波形，假如由于某种原因,产生一个拢动电流ΔI加至电感电流IL，当占空比<0.5时，从图5所示可以看出这个拢动ΔI将随时间的变化而减小；但当占空比>0.5时，这个拢动将随时间增加而增加，如图6所示。扰动量的增加可能会导致电路工作的不稳定，产生次谐波振荡。扰动量的变化可用数学表达式表示为：
ΔI1=－ΔI0式中：m1，m2分别是电感电流上升和下降的斜率；
ΔI1表示经过一个周期后扰动量的大小。
为了消除这种振荡，可引入斜率为－m的斜波信号，如图7所示。这个斜波电压既可加至电流波形上，也可以从误差电压中减去。这样一来，扰动量变为：
ΔI1=－ΔI0在100％占空比时求解这个方程有：
m>m2为了保证电流环路稳定工作，应使斜波补偿信号的斜率大于电流波形下降斜率m2的1/2，从而保证变换器的占空比大于50％时变换器能稳定工作。
2）减小峰值电感电流与平均电流的误差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。因为峰值电流(流过功率开关或电感上)在实际电路中容易进行采样，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，电感电流与输出平均电流之间存在一定的误差，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可以对应不同的平均电感电流，如图8所示。
而平均电感电流是唯一决定输出电压大小的因素。与消除次谐波振荡的方法类似，利用斜波补偿可以去除不同占空比对平均电感电流大小的影响，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流，如图9所示。
图8不同占空比时，相同峰值电感电流对应的平均电感电流
图9利用斜波补偿消除不同占空比对平均电感电流的影响
(a)斜波补偿加至2端 (b)斜波补偿加至3端
图10利用UC1824/43的2种斜波补偿方法
3）提高电流检测精度由于在电流型控制中依靠对电感电流上升斜波的检测完成控制，所以若电流变化率较大，可以提供较好的抗噪声干扰能力和为电流比较器提供较好的信号电平。而采用斜波补偿的方法，等于人为地改善了电感电流上升斜率，使其具有类似于电压控制模式抗噪声裕度较大的优点。
4.2电流型控制的斜波补偿实例
美国UNITRODE公司生产的电流型PWM控制芯片UC1842/43，具有外电路简单，成本较低等优点。关于它的电性能与典型应用这里不再赘述，只简单介绍一下进行斜波补偿的方法。图10说明了UC1842/43的2种斜波补偿方法：
第一种如图10（a）所示，从斜波端（即脚4振荡器输出端）接一个电阻R1至误差放大器反相输入端（脚2），于是误差放大器输出呈斜波状，再与采样电流比较。第二种方法如图10(b)所示，它从斜波端（脚4）接一电阻R2至电流采样比较器正端（脚3），这时将在Rs上的感应电压上增加斜波的斜率，再与平滑的误差电压进行比较。用这2种方法，均能有效地改善电源的噪声特性。
5结语
本文较为详细地论述了电流型控制模式的基本原理，优缺点，并且系统地分析了电流型控制中如何利用斜波补偿来消除或减小电流型控制带来的问题，对于电流型开关电源的选择，设计和优化具有一定的参考价值。
参考文献
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[2]叶治政,叶靖国.开关稳压电源[M].北京：高等教育出
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[3]最新开关集成稳压器数据应用手册.北京半导体器件五
厂,1997.
作者简介
陈佳果(1973－)，男,工程师，硕士学历。现在航天科技集团公司第510研究所从事卫星用模块化电源的预研及新产品开发工作。
开关电源控制原理 开关电源是一种非常常见的电源类型，它通过开关管的开关控制来实 现电压或电流的调节。开关电源的控制原理涉及到多个方面，主要包 括以下几个方面： 一、开关管的控制 开关电源的基本原理就是通过开关管的开关来实现电压或电流的调节。因此控制开关管的开关是非常关键的一环。对于这方面，通常使用PWM 控制方式。PWM（Pulse Width Modulation）是一种脉冲宽度调制技术，它通过改变开关管的开合时间来控制电源输出的电压或电流。 二、参考电压的产生 在开关电源中，通常需要使用参考电压来作为基准电压，对电源输出 进行调节。参考电压的产生主要有两种方式：一种是通过基准电路产生，另一种是通过反馈电路产生。其中反馈电路产生的参考电压更为 常见。 三、反馈电路的设计 反馈电路是开关电源中一个非常重要的部分。它通过比较参考电压和 输出电压之间的差异来控制开关管的开合。反馈电路的设计需要考虑 很多因素，如误差、抗干扰能力、响应速度等。 四、过流保护 开关电源在使用过程中，可能会出现过流现象，导致电源损坏或电路 失效。因此在设计开关电源的控制原理时，需要考虑到过流保护机制
的设计。开关电源的过流保护通常采用限流或短路保护的方式，通过检测电流大小来实现。 五、过压保护 在开关电源输出电压过高时，可能会对电路产生损害，甚至可能对使用者造成危害。因此，需要在开关电源控制原理设计中，考虑到过压保护。过压保护可以通过输入过滤、过压保护电路等多种方式实现。 综上所述，开关电源的控制原理是一个涉及多个方面的复杂问题，需要进行全面的考虑和设计。在设计过程中，需要根据实际情况综合考虑各种因素，确保电源能够稳定可靠的工作。
开关电源电流控制原理 开关电源电流控制原理 1. 引言 在现代电子设备的设计和应用中，开关电源是一种常见的电源供应方案。相比传统的线性电源，开关电源具有高效率、小体积、低成本等优点，因此被广泛应用于各个领域。在开关电源中，电流控制是一个关键的技术，通过合理的电流控制手段可以实现电源的稳定工作和优化性能。本文将从开关电源电流控制的原理出发，深入探讨其深度和广度。 2. 开关电源的基本原理 开关电源主要由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几个基本部分组成。其中，变压器起到了电压变换的作用，整流电路将交流电转换为直流电，滤波电路用于去除直流电中的纹波，稳压电路则确保输出电压的稳定。这些部分协同工作，实现了开关电源的正常运行。 3. 开关电源电流控制的基本原理
在开关电源中，电流控制的基本原理是通过控制开关管的导通和截止时间来实现的。电流控制的主要手段有三种：固定频率恒定占空比控制、固定占空比变频控制和边界控制。固定频率恒定占空比控制是最常用的一种方法，通过调节开关管的导通时间和截止时间来控制输出电流的大小。固定占空比变频控制则是在保持占空比不变的情况下改变开关频率来控制电流。而边界控制是根据输入电压和输出电流的边界条件来控制开关管的导通和截止时间。 4. 开关电源电流控制的影响因素 在进行开关电源电流控制时，有一些关键因素需要考虑。首先是开关管的导通电流和截止电流。导通电流的大小决定了输出电流的上限，而截止电流的大小决定了输出电流的下限。其次是开关管的导通和截止时间。导通时间的长短决定了输出电流的持续时间，截止时间的长短决定了输出电流的间断时间。输入电压和负载变化也会对电流控制产生影响。 5. 开关电源电流控制的优化策略 为了实现更好的电流控制效果，可以采取一些优化策略。首先是采用合适的控制算法来控制开关管的导通和截止时间。常见的控制算法有PID控制、模糊控制和神经网络控制等。其次是使用合适的电感和电容进行滤波，以减小输出电流的纹波。可以考虑借助外部反馈电路来
摘要：电流型控制芯片是目前较流行的开关电源控制芯片。本文详细介绍了一种实用电路。 关键词：电流型控制芯片 1引言 众所周知，电流型控制芯片除保留了电压型芯片的输出电压反馈部分外，又增加了一个反馈环节：把电流信号VS与误差放大器的输出VE进行比较，然后去控制锁存器。如图1所示。 其工作原理是：恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲幅度逐步增大；当电流信号幅度达到VE电平时，脉冲比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止。线路就是这样逐个地检测和调节电流脉冲，达到控制输出的目的。 2UC3842简介 通过一种高效单端反激DC/DC变换器予以说明。该电路采用UC3842，它是一种高性能的固定频率电流型控制芯片，能很好地应用在隔离式单端开关电源的设计以及DC/DC变换器设计之中，它最大的优点是外接元件少，外电路装配简单，成本低廉。 图1电流型控制芯片原理 图2UC3842功能框图 它的功能框图如图2所示，主要管脚功能如下： 1脚：误差放大器输出，可接RC补偿网络到误 差放大器的反相输入端，来决定放大器的闭环增益和频率响应，使芯片工作稳定。 2脚：误差放大器反相输入端，接收外控制信号。 3脚：电流信号采集端，用以采集初级线圈的电 流信号，通过采样电阻产生的电压与误差放大器输出的误差电压比较后，产生调制脉冲宽度的脉冲信号，来控制初级峰值电流，故称此类芯片为电流型脉冲宽度调制器。
4脚：外接定时电阻RT和定时电容CT决定振荡 器工作频率，f=1.8/RT.CT 5脚：GND接地脚。 6脚：输出驱动脚，采用图腾柱输出电路，输出电流可 达1A，可直接对双极晶体管和MOSFET管进行驱动。 7脚：电源输入端，极限输入电压为30V，其开启阀值设在16V，关闭阈值设在10V，两值相差6V，故可以有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡。 8脚：＋5V基准电压源输出脚，最大可提供50mA电流。 UC3842具有良好的线性调整率，能达到0 01％/V，因为输入电压Vi的变化立即反应为电感电流的变化，它不经过任何误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度，再增加一级输出电压Vo至误差放大器的控制，能使线性调整率更好；可明显地改善负载调整率，因为误差放大器可专门用于控制由于负载变化造成的输出电压变化，特别使轻负载时电压升高的幅度大大减小。误差放大器的外电路补偿网络得到简化，稳定度提高并改善了频响，具有更大的增益带宽乘积。电流限制电路得到简化，由于电阻Rs上感应出尖峰电感电流，故能自然形成逐个脉冲限制电路，只要Rs上电平达到1V，PWM就立即关断，而且这种峰值电感电流检测技术可以灵敏地限制输出的最大电流。 3电路设计 电路图如图3所示。电路工作于反激方式，用一0 2欧姆的电阻R10，进行电流信号的采样，经C9滤波输入到电流信号采集端3脚；并用一光耦进行反馈隔离，反馈绕组提供了反馈电压，合理的匝比，使反馈绕组提供的电压保持在18V左右，不随输入电压或负载的轻重而变化，而刚好大于芯片7脚（电源脚）的阈值电压16V；R1为起动电阻，C7为起动电容；可以看出，＋12V输出未用稳压器，而用一电阻R21接到TL431的基准端，用于＋12V的稳压，这样必会对＋5V的精度有一定的影响。但经测试，＋5V的变化范围是4.95V～5.08V，＋12V的变化范围是11.6V～12.6V，满足用户要求；其中＋12V输出绕组也可堆叠绕制于＋5V绕组之上，更有利于＋12V 输出电压的稳定，但＋5V绕组线需加粗；过压保护是由V9、R15、R16、C21、V10实现，其实是由晶闸管导通，引起的短路保护而实现，但工作起来可靠有效。 4结语 实际制作时应注意： （1）为提高效率，采用卧式磁芯EC28，其窗口较大，初级、＋5V输出绕组可用Φ0.67线，两根并绕；＋12V 输出绕组可用一根Φ0 67线绕制；反馈绕组、－12V输出绕组可用一根Φ0 4线绕制。电流信号的采集也可用电流互感器，只是稍复杂些。 （2）输入电压范围为18V～35V；V1的作用是当输入电压正负接反时，可恢复保险FU动作，而不使电源烧毁。
开关电源中的电流型控制模式 摘要：讨论了开关电源中电流反馈控制模式的工作原理、优缺点，以及与之有关的斜波补偿技术。 关键词：开关电源；电流型控制；斜波补偿 1引言 PWM型开关稳压电源是一个闭环控制系统,其基本工作原理就是在输入电压、内部元器件参数、外接负载等因素发生变化时，通过检测被控制信号与基准信号的差值，利用差值调节主电路功率开关器件的导通脉冲宽度，从而改变输出电压的平均值，使得开关电源的输出电压保持稳定。 以开关电源中的降压型变换为例（其它类型如正激型、推挽型等，均可由降压型派生得到），图1表示了该变换器的主电路的基本拓扑结构。 图1降压型开关电源 根据选用不同的PWM控制模式，图1电路中的输入电压Uin、输出电压Uo、开关功率器件电流(可从A点采样)、输出电感电流(可从B或C点采样)均可作为控制信号，用于完成稳压调节过程。目前在开关电源中广泛使用的控制方式是通过对输出电压或电流(功率开关器件或输出电感上流过的电流)进行采样，即形成2类控制方式：电压控制模式与电流控制模式。 2电流控制模式的工作原理 图2为检测输出电感电流的电流型控制的基本原理框图。它的主要特点是：将采样得到的电感电流直接反馈去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值电流直接跟随电压反馈电路中误差放大器输出的信号。从图2中可以看出,与单一闭环的电压控制模式相比,电流模式控制是双闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，内环由互感器采样输出电感电流形成。在该双环控制中，由电压外环控制电流内环，即内环电流在每一开关周期内上升，直至达到电压外环设定的误差电压阈值。电流内环是瞬时快速进行逐个脉冲比较工作的，并且监测输出电感电流的动态变化，电压外环只负责控制输出电压。因此电流型控制模式具有比起电压型控制模式大得多的带宽。
开关电源工作模式 开关电源常见的工作模式有连续导通模式和断续导通模式。这里所说的连续和断续导通模式，主要是指电感上电流为连续和断续两种模式。下面以BUCK电路为例，就这两种工作模式进行简单讨论。 2系统工作模式简介 连续工作模式（CCM） 在每一个开关周期内，电感电流不回落到0的工作模式。 断续工作模式（DCM） 在每一个开关周期内，电感电流回落到0的工作模式。 临界工作模式（BCM） 介于连续导通模式和断续导通模式之间的一种工作模式，不做讨论。 下图是表示上述几种工作模式的电感电流波形，IL表示电感电流，FSW表示开关频率。
从上图可知，系统在进入断续模式时，在下一个周期，芯片内部功率管导通之前，电感电流已经降至0（电感没有电势差），此时SW点电压等于输出电压，会引起SW 点电压衰减振荡，即振铃现象。此现象是由电感与系统中寄生的电容形成LC震荡导致（续流二极管，芯片内部功率管等存在寄生电容），震荡频率也由它们确定。振铃现象会造成EMI问题，所以尽量不要让系统工作在断续模式。 在系统设计时，要确保其工作在连续模式，可以通过选取合适的电感感量来实现；通常电感的选择应该保证直流输出电流为最小规定电流时（通常为额定输出电流10%，Io（min）=0.1Io），电感电流也能保持连续。在功率管开关时，电感上电流变化量为dI=I2-I1，而输出电流Io=（dI/2）+I1；当I1等于零时，系统便工作在临界模式， I1小于零时，系统便工作在断续模式；可通过以下公式计算系统工作在连续模式时所需最小电感量（I1=0）： Io（min）=0.1Io=（dI/2），即dI=0.2Io；由公式L=dV*dt/dI 推导出Lmin= （V IN -V OUT ）*Ton/（0.2Io） 而Ton=（V OUT /V IN ）*T，最终可得 其中，L为电感感量，单位H； V IN 为输入电压，单位V；V OUT 为输出电压，单位V； I O 为额定输出电流，单位A； T为周期，单位S。 根据电感计算公式可知，在实际使用时，若遇到系统工作在断续模式，可以通过增加电感感量或增大负载电流来确保系统工作在连续模式。 --END--
1 绪论 开关电源(Switching Mode Power Supply，英文缩写为SMPS)又称为开关稳压电源，问世后在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。随着全球对能源问题的越来越重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电力结构简单、工作可靠，但它存在着效率低(只有40%～50%)、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研究出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽；除此之外，还具有稳压精度高的特点，是一种较理想的稳压电源。开关电源具有效率高、体积小、重量轻、应用广泛等优点，现已成为稳压电源的主流产品。正因为如此，开关电源被誉为高效、节能型电源，代表着稳压电源的发展方向，并已广泛应用于各种电子设备中[1]。 1.1 开关电源的特点 1.1.1 开关电源的优点 (1) 功耗小，效率高。晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。 (2) 体积小，重量轻。采用高频技术，省掉了体积笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。 (3) 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。 (4) 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500
开关电源主要名词解释 开关电源 1．脉宽调制（ Pulse Width Modulation –PWM） 开关电源中常用的一种调制控制方式。其特点是保持开关频率恒定，即开关周期不变，改变 脉冲宽度，使电网电压和负载变化时，开关电源的输出电压变化最少。 2．占空比（ Duty Cycle Ratio） 一个周期 T 内，晶体管导通时间t oN 所占比例。占空比D=t oN/T。 3．硬开关（ Hard Switching） 晶体管上的电压（或电流）尚未到零时，强迫开关管开通（或关断），这是开关管电压下降 （或上升）和电流上升（或下降）有一个交叠过程，因而，开关过程中管子有损耗，这种开 关方式称为硬开关。 4．软开关（ Soft Switching） 使晶体管开关在其中电压为零时开通，或电流为零关断，从而在开关过程中管子损耗接近于 零，这种开关方式称为软开关。 5．谐振（ Resonance） 谐振是交流电路中的一种物理现象。在理想的（无寄生电阻）电感和电容串联电路输入端，加 正弦电压源，当电源的频率为某–频率时，容抗与感抗相等，电路阻抗为零，电流可达无 穷大，这一现象称为串联谐振。同理，在理想的 LC并联电路加正弦电流源时，电路的总导纳为 零，元件上的电压为无穷大，称为并联谐振。电路谐振时有两个重要参数： 谐振频率–谐振时的电路频率，w0=1／√ LC，称为谐振频率。 特征阻抗–谐振时，感抗等于容抗。其值为： Zo=√L／C,称为特征阻抗。当 LC串联突加直流电 压时 ,电路中电流按正弦规律无阻尼振荡，其频率即电路的谐振频率 ,或称振荡频率 . 6．准谐振（ Quasi–Resonance） 对于有开关的 LC串联电路，当电流按谐振频率振荡时，如果开关动作，使电流正弦振荡只在 一个周期的部分时间内发生，电流呈准正弦，这一现象称为准谐振。同样，在LC并联电路中，借助开关动作，也可获得准谐振。 7．零电压开通（ Zero–Voltage– Switching，简称 ZVS） 利用谐振现象，在开关变换器中器件电压按正弦规律振荡到零时，使器件开通，称为ZVS。8．零电流关断（ Zero–Current– Switching，简称 ZCS） ZCS。 同理，当开关变换器的器件电流按正弦规律振荡到零时，使器件关断，称为 9． PWM 开关变换器（ PWM Switching Converler） 用脉宽调制方式控制晶体管开关通、断的开关变换器。它属于恒频控制的硬开关类型。 10．离线式开关变换器（ Off–Line Switching Converter） 是一种 AC／ DC变换器，其输入端整流器和平波电容直接接在交流电网上。 11．谐振变换器（ Resonant Converter） 利用谐振现象，使开关变换器中器件上的电压或电流按正弦规律变化，从而创造了ZVS或ZCS 的条件，称为谐振变换器。分串联和并联谐振变换器两种。在桥式变换器的输出端串联LC网络，再接变换器和整流器，可得串联谐振DC／DC 变换器；在桥式变换器串联LC网络的电容 两端并联负载（包括变压器及整流器），可得DC／DC并联谐振变换器。 12．准谐振变换器（ Quasi– Resonant Converter） 利用准谐振现象，使开关变换器中器件上的电压或电流按准正弦规律变化，从而创造了ZVS 或 ZCS的条件，称为准谐振变换器。在单端、半桥或全桥变换器中，利用寄生电感和电容（如 变压器漏感、晶体开关管或整流管的结电容）或外加谐振电感和电容，可得相应的准谐振变 换器。谐振参数可以超过两个，例如三个或更多，这时又称为多谐振变换器。为保持输出电 压基本恒定，谐振和准谐振变换器均必须应有变频控制。
深度解读开关电源的平均电流、滞回电流模式 平均电流模式的工作原理及特点 图1为平均电流模式的控制系统图，K为检测电流放大器，CEA为电流误差放大器，VEA 为电压误差放大器。输出电压通过分压电阻器接到电压误差放大器的反相端，VEA同相端接参考电压Vref，输出的电压误差信号经VEA放大后输出，电压值为Vc。Vc连接到电流误差放大器CEA的同相端，输出电流信号由Rs取样，经电流放大器K放大后，输出到电流误差放大器CEA的反相端，电流信号和输出电压误差信号在电流误差放大器CEA内进行比较然后放大，输出为Ve，Ve送到PWM比较器的反相端，与PWM比较器的同相端的锯齿波进行比较，输出PWM关断信号。振荡电路产生PWM的开通时钟信号，同时输出信号给锯齿波发生器以产生相应的锯齿波。 图1：平均电流模式的控制系统图电流信号为向上的锯齿波，反相放大后，Ve为向下斜坡信号，Ve向下斜坡信号与锯齿波向上斜坡信号相等时，PWM信号的关断，如图2所示。当输入电压的增加，电感电流信号上升的斜率提高，因此Ve的下降斜率更陡峭，从而使占空比变窄。电压外环用于补偿由负载变化引起的输出电压变化，由于电感电流由VEA 处理，系统表现为一个单极点响应，从而简化了电压补偿环路。 峰值电流模式中，电流检测信号直接与电压误差信号进行比较，电流检测信号没有经过电流放大器的处理，因此峰值电流模式中，容易受到电流信号前沿尖峰噪声的干扰。而平均电流模式中，输出电流的波形带有锯齿波分量，与电压误差信号进行比较放大时，电流误差放大器CEA的外接的补偿网络会对电流信号做平均化的处理，从而得到代表跟踪平均电流的误差信号控制PWM信号的关断。此外，高频的电流信号前沿尖峰噪声会被滤除，PWM比较器之后的SR锁存器可避免由噪声引起的信号跳变，从而消除了由于噪声尖峰而过早关断MOSFET的可能。 由于Ve为向下的斜坡，这也意味着在反馈环中加入了一定的斜坡补偿，从而避免次谐波振荡，当占空比超过50%时不需要斜坡电压补偿。 由图2可知，若Ve上升的斜率大于三角锯齿波信号的斜率，系统失去交点将无法平衡，
电压控制型开关电源会对开关电流失控，不便于过流保护，并且响应慢、稳定性差。与之相比，电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统，能克服电流失控的缺点，并且性能可靠、电路简单。据此，我们用UC3842芯片设计了一个电流控制型开关电源。为了提高输出电压的精度，系统没有采用离线式结构，而采用直接反馈式结构。本系统在设计上充分考虑了电磁兼容性和安全性，可广泛应用于工业、家电、视听和照明设备。 电流控制型开关电源的原理框图 电流型控制是针对电压型控制的缺点而发展起来的，在保留了电压控制型的输出电压反馈控制部分外，又增加了一个电流反馈环节，其原理框如图1所示。 图1 电流控制型开关电源的原理框图 电流控制型开关电源是一个电压、电流双闭环控制系统，内环为电流控制环，外环为电压控制环。当U O变化导致UF变化，或I变化导致US变化时，都会使PWM电路的输出脉冲占空比发生变化，从而改变UO，达到输出电压稳定的目的。 电流型控制芯片UC3842 UC3842是一块功能齐全、较为典型的单端电流型PWM控制集成电路，内包含误差放大器、电流检测比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元。它提供8端口双列直插塑料封装和14端口塑料表面贴装封装，内部结构如图2所示。 图2 UC3842内部电路
8端口双列直插塑料封装的UC3842各管端口功能简介。 ①端口COMP是内部误差放大器的输出端。 ②端口VFB是反馈电压输入端，与内部误差放大器同相输入端的+2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，控制脉冲的宽度。 ③端口ISENSE是电流传感端。在应用电路中，在MOSFET的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压并送入③端口，控制脉冲的宽度。 ④端口RT/CT是定时端。锯齿波振荡器的振荡频率f=1.8/（RT·CT），电流模式工作频率可达500kHz。 ⑤端口GND是接地。 ⑥端口OUTPUT是输出端，此端口为图腾柱式输出，驱动电流的峰值高达l.0A。 ⑦端口VCC是电源。当供电电压低于16V时，UC3824不工作，此时耗电在1mA以下。芯片工作后，输入电压可在10～30V之间波动，工作电流约为15mA。 ⑧端口VREF是基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。 UC3842构成电流控制型开关电源 1 电路组成 UC3842构成的电流控制型开关电源电路如图3所示。
开关电源的基本原理 开关电源是一种将直流电压转换为不同电压、电流的电源，通过控制 开关元件（如晶体管或MOS管）的导通和断开状态来实现电源输出的调整。它具有高转换效率、占用空间小和重量轻等优点，在各类电子设备中得到 广泛应用。 1.电源输入：开关电源的输入是交流电源，一般为标准交流电压，如220V交流电。通过整流电路将输入交流电压转换为直流电压。 2.输入滤波：直流电源还需要通过滤波电路，以去除交流信号中的高 频杂波。滤波电路通常由电容和电感组成，能够使电压保持在一个相对稳 定的水平上。 3.直流电压调整：通过一个降压（升压）器，将经过滤波的直流电压 调整到需要的输出电压。降压（升压）器一般采用开关变换器的形式。 4.开关元件：开关电源的核心是开关元件，它通过不断地开关（通电 或断电）来调整输出电压和电流。常用的开关元件有晶体管、场效应管（MOSFET）、双极型晶体管（BJT）等。 5.稳压控制：为了保持输出电压的稳定性，开关电源需要使用反馈控 制电路，通过对输出电压进行采样并与设定值进行比较，控制开关元件的 导通和断开。 6.输出滤波：为了去除开关元件导致的高频噪声，开关电源还需要输 出滤波电路。输出滤波电路一般由电感和电容组成，能够平滑输出电压并 减小噪声。
7.保护电路：开关电源还需要一些保护电路来保护其自身和所连接的设备。常见的保护功能有过流保护、过压保护、短路保护等。这些保护电路能够在异常情况下停止开关元件的工作，以避免损坏设备。 在开关电源中，开关元件起着关键的作用。当开关元件导通时，电流会流过变压器和输出电路；当开关元件断开时，电感中的能量会通过二极管和电容进行储存，以供下一个开关周期使用。通过不断地开关，开关电源能够将大范围的输入电压转换为所需的稳定输出电压。 总的来说，开关电源通过不断开关的方式将输入电压转换为需要的输出电压，并通过反馈控制和保护电路来保持其稳定工作。这种基本原理使得开关电源具有高效率、小体积和轻重量等优点，可以广泛应用于各类电子设备中。
让知识带有温度。 电压、电流控制模式 电流控制实际上普通是控制电感的电流.此时电感相当于一个内阻很大的电流源.因为要很快的跟踪直流电流,所以电流环速度很快.电压环控制的是输出电容上的电压,是外环.响应速度普通较慢. 在实际应用过程中,因为直接检测电感电流有时比较困难而且成本较高,所以检测开关管的峰值电流作为变通的办法.不过需要加入谐波补偿才干稳定. 电流模式DC-DC会有两个反馈回路控制输出电压稳定-- 内环即电流反馈回路,外环即电压反馈回路. 斜坡补偿是为了消退PWM占空比大于50%的条件下,电流环 浮现的压谐波振荡现象,而在电流环反馈回路叠加一个正斜率 的补偿信号,或是在电压环反馈回路叠加一个负斜率的补偿信号.... 电流环的带宽一定要大于电压环的带宽. 1,他们的区分主要是采样电流比较的对象不同 2,电压控制模式采样电流是与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较 3,电流控制模式采样电流是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.(其实电流控制模式又分为峰值电流模 第1页/共3页
千里之行，始于足下 式和平均电流模式) 关于电流型(峰值)控制,它的斜率补偿从某种程度上说,是引入了一些电压型控制特点.所以加了斜率补偿的电流型控制办法(峰值)实际上是一种混合体.加入斜率补偿注入的三角波彻低遮挡了采样电流,那么就是电压型控制了.假如在电压型控制芯片的三角波里边注入了电流信号,那就带有电流型控制的特点了,不过因为电压型控制的三角波还兼具CLK的共用,所以那样会转变频率…… 电压模式 误差电压同三角波比较,结果控制占空比. 电流模式 电流同误差电压比较,控制占空比.电流模式对振荡器斜率没有要求,振荡器主要是产生CLK 复位芯片内部的触发器用的. 电压模式的振荡器除了产生CLK外,还要产生波形质量很好的三角波供PWM单元使用. 所谓的电流型或者电压型问题实质上是研究的PWM 的调制策略.此时还没有反馈还存在,所以是研究的开环特性.并且这种控制策略可以和不同的拓扑结合,比如电流型正激,电压型反激(尽管几乎见不到,但是理论上是存在的.)电流型半桥(峰值电流是不适合半桥拓扑的,所以这里用的是平均电流型拓扑). 峰值电流的控制机理是：在每个周期，由电压控制外环输出控制电压VC，它为本周期的电感电流瞬时值设定了的最大值。电压控制外环按照负载和输入电池电压状态设定本周期的电感电流峰值，电流控制内环将设定的电感电流峰值与实际的电感电流瞬时值作比较，系统按照此比较结果调节开关管关断的时刻，从而实现对电感中峰值电流的控制。 第2页/共3页
开关电源电压和电流两种控制类型开关电源有两种控制类型，一种是电压控制（Voltage Mode Control），另一种是电流控制（Current 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。 1、电压控制型开关电源的基本原理是什么？ 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2-2-2（a）、（b）所示。电压控制型的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），所得到的取样电压UQ就作为控制环路的输入信号；然后对取样电压UQ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为锯齿波振荡器的定时电容。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，Q为锁存器输出端，输出波形如图2-2-2（b）所示。
图2-2-2电压控制型开关电源的基本原理及工作波形 （a）基本原理；（b）工作波形 2、电压控制型开关电源有哪些优点？ 电压控制型开关电源具有以下优点： （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。 3、电压控制型开关电源有哪些缺点？ 电压控制型开关电源的主要缺点如下： （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。
uc3842电流型开关电源中电压反馈电路的设计 在传统的电压型控制中，只有一个环路，动态性能差。当输入电压有扰动时，通过电压环反馈引起占空比的改变速度比较慢。因此，在要求输出电压的瞬态误差较小的场合，电压型控制模式是不理想的。为了解决这个问题，可以采用电流型控制模式。电流型控制既保留了电压型控制的输出电压反馈,又增加了电感电流反馈,而且这个电流反馈就作为PWM控制变换器的斜坡函数，从而不再需要锯齿波发生器，使系统的性能具有明显的优越性。电流型控制方法的特点如下: 1、系统具有快速的输入、输出动态响应和高度的稳定性； 2、很高的输出电压精度； 3、具有内在对功率开关电流的控制能力； 4、良好的并联运行能力。 di直接跟随输入电压和输出电压的变化而变化。电压反由于反馈电感电流的变化率dt 馈回路中，误差放大器的输出作为电流给定信号，与反馈的电感电流比较，直接控制功率开关通断的占空比，所以电压反馈是电流型电源设计中很重要的问题。本文介绍使用电流型控制芯片uc3842时，电压反馈电路的设计。 一、uc3842简介 图1为UC3842PWM控制器的内部结构框图。其内部基准电路产生＋5V基准电压作为UC3842内部电源，经衰减得2.5V电压作为误差放大器基准，并可作为电路输出5V/50mA的电源。振荡器产生方波振荡，振荡频率取决于外接定时元件，接在4脚与8脚之间的电阻R 与接在4脚与地之间的电容C共同决定了振荡器的振荡频率，f=1.8/RC。反馈电压由2脚接误差放大器反相端。1脚外接RC网络以改变误差放大器的闭环增益和频率特性，6脚输出驱动开关管的方波为图腾柱输出。3脚为电流检测端，用于检测开关管的电流，当3脚电压≥1V 时，UC3842就关闭输出脉冲，保护开关管不至于过流损坏。UC3842PWM控制器设有欠压锁定电路，其开启阈值为16V，关闭阈值为10V。正因如此，可有效地防止电路在阈值电压附近工作时的振荡。 图1UC3842的内部结构框图如下： UC3842具有以下特点： 1、管脚数量少，外围电路简单，价格低廉； 2、电压调整率很好；
电流型控制原理及特点分析 一、电流型控制原理及特点 原理： 电流型脉宽调制(PWM)控制器是在普通电压反馈PWM 控制环内部增加了电流反馈的控制环节,因而除了包含电压型PWM 控制器的功能外,还能检测开关电流或电感电流,实现电压电流的双环控制。控制原理框图如下图(图1)所示。 图1 双环电流型控制器原理图 从图1 可以看出,电流型控制器有两个控制闭合环路:一个是输出电压反馈误差放大器A,用于与基准电压比较后产生误差电压;另一个是变压器初级(电感)中电流在Rs 上产生的电压与误差电压进行比较,产生调制脉冲的脉宽,使得误差信号对峰值电感电流起着实际控制作用。系统工作过程如下:假定输入电压下降,整流后的直流电压下降,经电感延迟使输出电压下降,经误差放大器延迟Vca 上升,占空比变化,从而维持输出电压不变,在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降,电感电流的斜率di/dt 下降,导致斜坡电压推迟到达Vca,使PWM 占空比加大,起到调整输出电压的作用。由于既对电压又对电流起控制作用,所以控制效果较好在实际中得到广泛应用。 特点： a)由于输入电压Vi 的变化立即反映为电感电流的变化,不经过误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度(电流控制环),因而使得系统的电压调整率非常好,可达到 0.01%V, 能够与线性移压器相比。 b)由于双环控制系统内在的快速响应和高稳定性,反馈回路的增益较高,不会造成稳定性与增益的矛盾,使输出电压有很高的精度。 c)由于Rs 上感应出峰值电感电流,只要Rs 上电平达到1V,PWM 控制器就立即关闭,形成逐个脉冲限流电路,使得在任何输入电压和负载瞬态变化时,功率开关管的峰值电流被控制在一定范围内,在过载和短路时对主开关管起到有效保护。 d)误差放大器用于控制,由于负载变化造成的输出电压变化,使得当负载减小时电压升高的幅度大大减小,明显改善了负载调整率。 e)由于系统的内环是一个良好的受控电流放大器,所以把电流取样信号转变成的电压信号和一个公共电压误差放大器的输出信号相比较,就可以实现并联均流,因而系统并联较易实现。 二、峰值电流控制与平均电流控制的比较 峰值电流模式控制和平均电流模式控制相比主要具有以下缺点:
开关电源电路的设计及仿真 1基本理论 开关电源的输出电压Vo是由一个控制电压Vc来控制的，即由Vc与锯齿波信号比较，产生PWM波形。根据锯齿波产生的方式不同，开关电源的控制方式可分为电压型控制和电流型控制。电压型的锯齿波是由芯片内部产生的，如LM5025，电流型的锯齿波是输出电感的电流转化成电压波形得到的，如UC3843。对于反激电路，变压器原边绕组的电流就是产生锯齿波的依据。 输出电压Vo与控制电压Vc的比值称为未补偿的开环传递函数Tu，Tu=Vo/Vc。一般按频率的变化来反映Tu的变化，即Bode图。 电压型控制的电源其Tu是双极点，以非隔离的BUCK为例，形式为： 电流型控制的电源其Tu是单极点，以非隔离的BUCK为例，形式为： 各种电路的未补偿的开环传递函数Tu可以从资料中找到。本讲座的目的是提供一种直观的环路设计手段。 2 计算机仿真开关电源未补偿的开环传递函数Tu 2.1 开关平均模型 开关电源的各个量经平均处理后，去掉高频开关分量，得到低频(包括直流)的分量。开关电源的建模、静态工作点、反馈设计、动态分析等都是基于平均模型基础之上的。若要得到实际的工作波形，应按实际电路进行时域仿真(Time Transient Analysis)。 将开关电路中的开关器件经平均化处理后，就得到开关平均模型，用开关平均模型可以搭建各种电路。 以下是几个开关电源的平均模型仿真例子，从电路波形中看不到开关量，只是平均量，比如电感中流过的电流是实际电感中的电流平均值，电容两端的电压是实际电容两端电压的平均值等等。 2.1.1 CCM BUCK(连续模式BUCK) 先直流扫描Vc，得到所需的输出电压，即得到了电路的静态工作点。然后交流扫描，得到Tu的