合适的开关电源控制方案

[导读]电源用于为电子电路产生适当的电源电压。选择电源时，应关注其最大电流能力和允许的输入电压范围，以确保其能够在电路中正常工作。另外，还要考虑电源的许多其他特性。开关电源的一个非常重要的特性是其控制类型，例如控制环路。应当清楚了解不同稳压类型各自的优势，以及选型过程中的考量因素。

摘要

本文说明了开关电源不同控制方案的优缺点，并阐述了电流模式控制、电压模式控制和滞回模式控制。文章提供了关于如何选择开关电源IC的建议。

引言

电源用于为电子电路产生适当的电源电压。选择电源时，应关注其最大电流能力和允许的输入电压范围，以确保其能够在电路中正常工作。另外，还要考虑电源的许多其他特性。开关电源的一个非常重要的特性是其控制类型，例如控制环路。应当清楚了解不同稳压类型各自的优势，以及选型过程中的考量因素。

电流模式控制

大部分现代开关电源采用电流模式控制架构。这种架构将输出电压与设定点的偏差同依赖于电感电流的锯齿状电压斜坡进行比较。通过将输出电压与集成于开关稳压器IC内部的运算放大器（也称为误差放大器）进行比较，系统会在满足条件时终止当前时钟周期。随后，系统会根据电感电流值以及输出电压与设定点的偏差，调整占空比。这种方式为用户带来了一些优势。控制系统可直接对电感电流的变化做出反应（例如在输入电压发生变化时），而无需等待输出电压偏离设定点。利用这种类型的控制，可以轻松实现过流限制。电流模式控制最重要的优势或许在于，它的补偿调整非常简单。补偿通过补偿引脚VC上的两个电容和一个电阻实现，本质上决定了控制环路的稳定性和速度。

图1显示了一个降压控制器的控制环路（标记为红色）。补偿元件以蓝色显示。在一些电源转换器IC中，补偿元件不是外置，而是内置。这简化了设计过程，但功率水平、电感和输出电容的选择会受到限制。

图1.标记为红色的开关电源控制环路

电压模式控制

除了电流模式控制，还有基于电压模式的控制方式。在电压模式控制下，输出电压以与电流模式类似的方式进行调节，但电感电流未被纳入调节环节。这种方式存在一些缺点。如果输入电压发生变化，控制系统只会在输出电压因这种变化而偏离设定点后做出反应。这可能导致控制行为出现延迟。对于电压模式稳压器，如果电源需要负载限流，则必须添加限流功能。不过，这种调节类型最严重的缺点可能是补偿设置要复杂得多。它通常需要3型补偿，也就是必须为补偿引脚适当选择两个电阻和三个电容。在这种控制方式下，当在满载工作模式（恒定电流导通模式(CCM)）与部分负载工作模式（断续电流导通模式(DCM)）之间切换时，稳定性行为也会发生变化。这可能会使某些应用的补偿设置变得更加困难。

正是这些主要原因，使得当今市场上鲜有新型的电压模式控制器出现。图2显示了一个电压模式稳压器及其相应的3型补偿。补偿元件以蓝色显示。

图2.控制环路的补偿设计颇为复杂，不仅需要在补偿引脚上进行补偿，还需要在上端反馈电阻上并联补偿网络

滞回模式控制

除电流模式控制和电压模式控制之外，还有第三种控制方式。此类稳压器在反馈路径中使用滞回比较器，并根据输出电压的状态来调整开关时间和占空比。此类稳压器在原理上就不稳定，因此无需对其控制环路进行补偿。然而，这一优势也被其他一些缺点所抵消。滞回模式控制的开关频率不是固定的，而是随着输入电压、负载电流和其他条件而变化。此外，其输出电压纹波通常高于电流模式或电压模式稳压器。这种拓扑的简化原理图见图3。滞回稳压器常常被误解，原因是这种控制方式存在许多衍生形式，而不同衍生形式往往使用不同的名称。针对滞回控制的不足，业界提出了各种改进方案，例如恒定导通时间控制。