照明LED恒流源驱动的设计_陆兴_第二章开关电源原理_19_33

第二章 开关电源原理本章将介绍开关电源DC－DC 变换器Buck 拓扑的基本结构，Buck 结构的变换原理、调制方式和控制方式，根据LED 驱动的特点选取了电流控制模式，并对其性能、精度及稳定性问题进行了理论分析。

[8][9][10]2.1 降压型开关电源变换器(Buck)取代线性变换器的开关型变换器早在20世纪60年代就开始应用。

它将快速通断的晶体管置于输入和输出之间，通过调节占空比来控制输出直流电压的平均值。

降压型的开关电源Buck 变换器的原理图如图2.1所示。

其中开关器件Q1与直流输入电压DC V 直接相连。

在每个周期T 内，Q1导通时间为on T 。

在Q1导通时，1V 点电压为DC V (设Q1导通时两端的电压降为零)。

Q1关断时1V 点的电压迅速下降为0V(假设续流二极管D1的两端的电压降也为零)，则1V 点的电压波形为矩形波，如图2.2所示，on T 时的电压为DC V ，其余时间电压为零，则1V 点一个周期内的平均电压直流值为DC V on T /T。

LC 滤波器接在1V 和Vo 之间它使输出点Vo 成为幅值等于DC V on T /T 的无尖锋无纹波的直流电压。

Q1Lo V1图2.1 开关电源Buck 拓扑的原理图Buck 电路最大的优点是损耗低，效率高，下面就详细的分析一下整个电路的工作过程和波形变化，假设输出为Vo。

图2.2 Buck 变换器连续工作模式下各节点波形在每个周期开始时，电感L 上的初始电流为1I ，Q1由控制信号驱动后导通，二极管反偏截止，加在L 上的电压的大小为DC o V V −，由于电感两端的电压恒定，所以流过电感的电流线性上升到2I ，其斜率为DC o (V -V )dI =dt L。

当控制信号使Q1关断时，由于电感的电流不能突变，所以电感两端电压极性迅速颠倒，二极管导通续流，这种电压极性颠倒的现象称为电感反冲。

如果没有接二极管D1，则1V 点的电位会变得很负以保持电感L 上的电流方向不变，这会让Q1两端的电tV V 1 V WM I Q1I D1I Lo t tttt压差过大而损坏开关，接上二极管后，实际1V 点的电压被箝位于比地低一个二极管导通压降。

电感两端的电压极性反转后，电感中的电流线性下降，其斜率为D1o (V +V )dI =dt L 。

Q1关断结束后，电感上的电流降低到1I 。

当Q1再次导通时，D1的电流减少，Q1上的电流迅速增加并取代了二极管的D1正向电流直到D1上的电流为零，D1再次反偏，1V 恢复到DC V ，电感的电流开始重复前一个周期的变化过程。

在整个周期内，电感的电流会有21I I −的上下波动，输出电流Io 的大小就是1211+( )2I I I −。

虽然Io 会根据负载的变化而变化，但是整个电感电流上升和下降的斜率却和负载无关。

[8]以上讨论的Buck 变换器的工作过程是基于稳定工作时电感上的电流在下降的过程中没有下降到0，也就是1I >0，我们称这种模式为连续工作模式，如图2.2中所示。

如果电感上的电流在下降的过程中下降至零，也就是在电感上的储能被完全释放，我们称这种工作模式为不连续模式，如图2.3所示。

图2.3 不连续工作模式下的电流波形图不连续工作模式输出电压和输入电压的关系推导如下。

在一个周期T 内，当Q1开启时，电流从0开始增加，则直到Q1关断时电感电流为()DC o on V V T I L −=，tt ttQ1关断期间off T ，假设经过r T 时间（也就是二极管D1导通得时间）后电感中的能量完全释放供给负载，为保证L 的电流在Q1下次导通之前已经下降到0，则r on T T T +≤。

因电感电流上升和下降的绝对值相等，则()DC o ono r V V T V T L L−= ， 化简得on o DC on rT V V T T =+ 。

2.2 开关调制方式开关电源电路的调制方式主要有脉宽调制和脉频调制这两种调制方式。

2.2.1 脉宽调制（PWM：Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制方式，其开关频率恒定，通过调节导通脉冲的宽度来改变占空比，从而实现对能量向负载传递的控制，称之为“定频调宽”。

PWM 调制方式是开关功率变换器中最常采用的方式，通过反馈端的反馈信号和基准信号的差值与内部产生的锯齿波进行比较，然后输出一路恒频变宽的方波信号对功率开关管进行控制，可以依据负载快速调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。

PWM 调制方式具有以下的优点：在负载较重的情况下效率很高，电压调整率高，线性度高，输出纹波小，适用于电压和电流控制模式；PWM 调制方式存在以下的缺点：输入电压调制能力弱，频率特性差，轻负载下效率下降。

2.2.2 脉频调制（PFM：Pulse Frequency Modulation）脉冲频率调制方式，其脉冲宽度恒定，通过调节频率改变开关的通断比，从而实现了对能量的控制，称之为“定宽调频”，原理如图2.4所示。

PFM 也是开关功率变换中经常使用的一种调制方式。

通过负载端反馈信号与基准信号进行比较，输出误差信号对工作频率进行调节，然后输出一路恒定脉宽的变频方波信号对功率开关管进行控制，依据负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。

图2.4 脉频调制方式目前PFM控制方式在开关电源中已经比较普遍，具有以下优点：在负载较轻的情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电压控制模式。

存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。

2.3 控制方式开关电源DC－DC变换器从控制模式上可以分为两类，电压控制模式（Voltage Control Mode）和电流控制模式（Current Control Mode）。

下面以PWM调制方式为例，介绍电压控制模式和电流控制模式的原理和特点。

2.3.1 电压控制模式电压模式控制的基本原理就是通过将误差放大器的输出电压与一个锯齿波进行比较，产生控制用的PWM信号。

PWM电压模式的控制原理图如图2.5所示，其原理为：采样电阻R1和R2检测输出电压V。

，并将其输入误差放大器EA与参考电压refV被输入到脉宽调整器(电压比较器)。

V进行比较，被放大的误差电压eaQ1Lo V1图2.5 PWM 电压模式控制原理图PWM 电压比较器的另一个输入是周期为T 的锯齿波，如图2.2所示，其幅值一般为3V。

EA 的输出ea V 与锯齿波进行比较，当锯齿波电压高于ea V 的时候PWM 电压比较器的输出由高电平转为低电平，Q1关断，以此来调节Q1的导通时间，保证输出电压恒定。

其逻辑关系是，当DC V 上升时，则o V 上升，误差放大器输出电压ea V 下降，锯齿波高于ea V 的时间提前，也就是Q1导通时间on T 缩短，使得/o DC on V V T T =保持不变；同理，如果DC V 下降，则Q1导通时间on T 延长，最终的结果也保证Vo 不变。

由此可以总结出，无论输入电压DC V 如何波动，电压控制系统都会改变Q1的导通时间on T ，使得最终的输出电压维持在21(1)o ref V V R R =+。

从控制理论的角度分析，电压模式控制在整个控制电路中只有一个反馈环路，是一种单环控制系统。

电压控制型变换器是一个二阶系统，它有两个状态变量：输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。

二阶系统是一个有条件稳定系统，只有对控制电路进行精心的设计和计算后，在满足一定的条件下，闭环系统方能稳定的动作，开关电源的电流流经电感，对电压信号有90度的相位延迟。

因此，仅用电压采样的方法稳压，响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号时产生振荡，从而损坏功率器件。

电压控制模式的优点是：1单环反馈的设计和分析比较容易进行；2锯齿波振幅较大，对稳定的调制过程可提供较好的噪声余度；3 低阻抗功率输出，对多输出电源具有较好的交互调节特性。

电压控制模式的缺点是：1动态响应速度较慢；2输出滤波对控制环增加了两个极点，这就需要一个零点补偿；3由于环路增益随输入电压而变化，使得补偿变得更加复杂化。

2.3.2 电流控制模式针对电压控制模式的缺点，最近十几年发展起来了电流控制模式技术。

电流控制模式可以分为峰值电流模式控制（PCM：Peak Current Mode）和平均电流模式控制（ACM：Average Current Mode），ACM 是在PCM 的基础上发展起来的，通常情况下电流控制模式所说的就是峰值电流控制模式。

电流控制模式是在电压控制模式的基础上，增加一个电流负反馈的环节，电感电流不再是一个独立变量，从而使开关电源变换器成为一个一阶无条件的稳定系统，它只有单个极点和90度相位滞后，从而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信号特性。

根据最优控制理论，实现全状态反馈的系统是最优控制系统，可以实现最小的动态响应的误差平方积分指标。

因此，在PWM 中取输出电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制是符合最优控制规律的。

图2.6为PWM 峰值电流控制模式的原理框图。

与电压控制模式不同的是，电流控制模式的PWM 电压比较器的输入由电压控制模式中的锯齿波信号换成了对电感电流采样值转换成的电压Vs，比较器的另一端仍然是输出电压采样值与参考基准的误差放大值。

每个周期开始时，时钟信号控制将开关开启，流过开关和电感的电流增大，当电流增大到Vs 超过ea V 时，触发器R 端置高电位，开关被关断。

如果DC V 增大，则开关导通时Vs 上升速度加快，Vs 超过ea V 所需要的时间缩短，于是on T 被缩短；反之DC V 减小，则Vs 超过ea V 让PWM 控制信号翻转所需时间更长，增加了on T 维持对负载提供的能量大小。

由此可以总结出，无论输入电压DC V 如何波动，电流控制模式同样也能通过改变开关的导通时间on T （也就是改变了占空比），使得最终的输出电压维持在21(1)o ref V V R R =+。

Q1Lo V1图2.6 PWM 峰值电流型控制原理框图从图2.6上观察可以发现，与电压模式控制单一闭环相比，电流控制模式是双闭环控制系统，外环由输出电压反馈电路形成，由电压外环控制电流内环，即内环电流在每个开关周期内上升，直到达到电压外环设定的误差电压阈值，电流内环是瞬时快速地对每个周期的脉冲电流采样，检测输出电感的电流动态变化，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控制模式大得多的带宽，无论是理论分析还是电路测试，都证明电流型控制比电压型控制有许多优点，归纳起来主要有以下几点。

一、 对输入电压变化的响应快。

这可直观的从电路的工作原理中分析出来：电源输入电压的变化，必然会引起周期初始电流上升的斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则变慢，但是只要电流脉冲幅值达到预定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。