第五节　开关电源控制电路的选择

一、典型控制方法

选择控制IC极其重要,如选择不正确,会使电源工作不稳定而浪费宝贵的时间。设计者要知道各种控制方法之间细微的差别,总体上说,正激式拓扑用电压型控制,升压式拓扑通常用电流型控制。但这不是一成不变的规则,因为每一种控制方法都可以用到各种拓扑中去,只是得到的结果不一样而已。各种控制方法见表2-17。

表2-17　控制方法

(a)PWM控制方法

(b)准谐振和谐振转换控制方法

1.电压型控制

这种控制方法见图2-42。电压型控制的最显著特点就是误差电压信号被输入到PWM比较器,与振荡器产生的三角波进行比较。电压误差信号升高或降低使输出信号的脉宽增大或减小。要识别是不是电压型控制IC,可以先找到RC振荡器,然后看产生的三角波是不是输入到比较器,并与误差电压信号进行比较。

图2-42　具有平均输出电流和逐周电流限制的电压型控制

电压型控制IC的过电流保护有两种形式,早期的方法是用平均电流反馈。在这种方法中,输出电流是通过负载上串联一个电阻来检测的。电流信号可以放大后输入到偿用电流误差放大器中。当电流放大器检测到输出电流接近原先设定的限制值时,就阻碍电压误差放大器的作用,从而把电流加以限制,以免电流继续增大。平均电流反馈作为过电流保护有一个固有的缺点,就是响应速度很慢。当输出突然短路,会来不及保护功率开关,而且在磁性元件进入饱和状态时也无法检测。因此会导致在几个微秒内电流成指数上升而损坏功率开关。

第二种过电流保护方法是逐周过电流保护。这种方法可以保证功率开关工作在最大安全电流范围内。在功率开关管上串联一个电流检测器(电阻或电流互感器),这样就可以检测流过功率开关管的瞬时电流。当这个电流超过原先设定的瞬时电流限制时,就关断功率开关管。保护电路要求响应很快,以实现包括磁芯饱和在内引起的各种瞬时过电流情况下对功率开关管进行保护,由于这种电流保护电路的保护限制值是固定的,而且也会因其他参数改变而变化,所以不是一种电流型控制。

最后一种是“电压滞环”的电压型控制,这种控制方法是非常基本的。在这种控制方法中,固定频率的振荡器只有在输出电压低于由电压反馈环给定的指令值时才转成“通”的状态。由于有时候功率开关管突然导通后又进入常态关的状态,所以有时把这种方法叫作“打嗝型”(Hiccup-mode)。只有少数控制IC和集成开关电源IC用这种控制方法,这种方法会在输出电压上产生大小固定的纹波,纹波的频率与负载电流成比例。

2.电流型控制

见图2-43,最好用在电流波形的线性坡度很大的拓扑中,如Boost、Buck-Boost和反激型电路等升压式拓扑。

图2-43　由时钟脉冲导通的电流型控制

电流型控制方法是控制流过功率开关管的峰值(有时是最小)电流的漂移点来实现,这也等效于磁芯的磁通密度的偏移量。从本质上说,是调节磁芯的一些磁参数来实现的。电流型控制最常见的方法是“定时开通”的方法,由固定频率的振荡器给触发器置位,由快速电流比较器给触发器复位。触发器状态为“1”时,功率开关管导通。

电流比较器的阈值是由电压误差放大器的输出给定的,如果电压误差放大器显示输出电压太低时,电流门槛值就增大,使输出到负载的能量增加。反之也一样。

电流型控制本身具有过电流保护功能,快速电流比较器实现对电流的逐周限制。这种保护也是一种恒功率过载保护方法,这种保护通过电流和电流反馈来维持供给负载的恒功率,但并不是在所有产品中用这种方法都是最适合的,特别是在典型的失效会引起失效电流增大的场合下。此外,电路可以设置其他过载保护方法。

另外一种电流型控制方法叫作电流滞环控制(见图2-44),这种方法对电流峰值和谷值都进行控制。这种方法用在电流连续模式的Boost变换器中是比较好的。它的结构有点复杂,但它的响应速度很快。这种方法并不是常用的控制方法,其控制频率也是变化的。

图2-44　电流滞环控制

二、其他控制方法

现在有些IC制造厂商为了提高所设计的电源整机效率,在一些工作点上自行设计新的控制模式或新的开关控制方法。这种经验比较模糊,除了设计的应用场合外,并不可以在其他所有应用场合下工作。比如,有些Buck控制IC通过降低工作的频率,可以使电厂电流进入断续模式。进入电流断续模式后,反馈环的稳定性会改变,所以它们用一些复杂的控制方法来补偿可以预见的不稳定性。

① 电压滞环控制:这是经常所说的“打嗝型”控制方法,它用一个简单的比较器来调节输出电压。如果电压低于某一限制值,PWM发生器就开通一段时间,直到超过这个限制值(加上某一滞环电压值)为止。这种方法使输出电压纹波等于或大于控制电路上的滞环电压值。

② 变频控制:固定频率控制方法在轻载的时候由于开关损耗固定,所以效率下降。有些控制器在轻载时切换到频率可变的时钟,而采用的控制方法还是一样的。