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大功率直流穩壓電源的PWM反馈控制模式有哪几种?
編輯:揚州凱弘電源科技有限公司   發布時間:2019-05-29

下面以VDMOS開關器件構成的穩壓正激型降壓斬波器爲例說明五種PWM反饋控制模式的發展過程、基本工作原理、詳細電路原理示意圖、波形、特點及應用要點,以利于選擇應用及仿真建模研究。

      不同的PWM反馈控制模式具有各自不同的优缺点,在设计大功率直流穩壓電源选用时要根据具体情况选择合适的PWM的控制模式。

各种控制模式PWM反馈方法的选择一定要结合考虑具体的大功率直流穩壓電源的输入输出电压要求、主电路拓扑及器件选择、输出电压的高频噪声大小、占空比变化范围等。 PWM控制模式是发展变化的,是互相联系的,在一定的条件下是可以互相转化的。

1. 电压模式控制PWM (VOLTAGE-MODE CONTROL PWM):

大功率直流穩壓電源的PWM反馈控制模式有哪几种?

如圖1所示爲BUCK降壓斬波器的電壓模式控制PWM反饋系統原理圖。電壓模式控制PWM是六十年代後期開關穩壓電源剛剛開始發展起就采用的第一種控制方法。該方法與一些必要的過電流保護電路相結合,至今仍然在工業界很好地被廣泛應用。電壓模式控制只有一個電壓反饋閉環,采用脈沖寬度調制法,即將電壓誤差放大器采樣放大的慢變化的直流信號與恒定頻率的三角波上斜波相比較,通過脈沖寬度調制原理,得到當時的脈沖寬度,見圖1A中波形所示。逐個脈沖的限流保護電路必須另外附加。主要缺點是暫態響應慢。當輸入電壓突然變小或負載阻抗突然變小時,因爲有較大的輸出電容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将输出电压与给定电压的差值进行放大及反馈,保证稳态时的稳压精度。该运放的直流放大增益理论上为无穷大,实际上为运放的开环放大增益。②将大功率直流穩壓電源主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较“干净”的直流反馈控制信号(VE)。即保留直流低频成分,衰减交流高频成分。因为开关噪声的频率较高,幅值较大,高频开关噪声衰减不够的话,稳态反馈不稳;高频开关噪声衰减过大的话,动态响应较慢。虽然互相矛盾,但是对电压误差运算放大器的基本设计原则仍是“低频增益要高,高频增益要低”。③对整个闭环系统进行校正,使得闭环系统稳定工作。电压模式控制的优点:①PWM三角波幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量。②占空比调节不受限制。③对于多路输出电源,它们之间的交互调节效应较好。④单一反馈电压闭环设计、调试比较容易。⑤对输出负载的变化有较好的响应调节。

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爲複雜,閉環增益隨輸入電壓而變化使其更爲複雜。③輸出LC濾波器給控制環增加了雙極點,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在傳感及控制磁芯飽和故障狀態方面較爲麻煩複雜。改善加快電壓模式控制瞬態響應速度的方法有二:一是增加電壓誤差放大器的帶寬,保證具有一定的高頻增益。但是這樣比較容易受高頻開關噪聲幹擾影響,需要在主電路及反饋控制電路上采取措施進行抑制或同相位衰減平滑處理。另一方法是采用電壓前饋模式控制PWM技術,如圖1B所示。用輸入電壓對電阻電容(RFF、CFF)充電産生的具有可變化上斜波的三角波取代傳統電壓模式控制PWM中振蕩器産生的固定三角波。因爲此時輸入電壓的變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來,因此該方法對輸入電壓的變化引起的瞬態響應速度明顯提高。對輸入電壓的前饋控制是開環控制,目的爲了增加對輸入電壓變化的動態響應速度。對輸出電壓的控制是閉環控制。因而,這是一個有開環和閉環構成的雙環控制系統。 



2. 峰值电流模式控制PWM (PEAK CURRENT-MODE CONTROL PWM):

峰值电流模式控制简称电流模式控制,它的概念在六十年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激大功率直流穩壓電源。在七十年代后期才从学术上作深入地建摸研究。直至八十年代初期,第一批电流模式控制PWM集成电路的出现使得电流模式控制迅速推广应用。主要用于单端及推挽电路。近年来,由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差,电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。因为这种改善性能的电压模式控制加有输入电压前馈功能,并有完善的多重电流保护等功能,在控制功能上已具备大部分电流模式控制的优点,而在实现上难度不大,技术较为成熟。

大功率直流穩壓電源的PWM反馈控制模式有哪几种?

如图2所示,由输出电压VOUT 与基准信号VREF的差值经过运放(E/A)放大得到的误差电压信号 VE 送至PWM比较器后,并不是象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,而是与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V∑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。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。因为峰值电感电流容易传感,而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是,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的大小可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大小的因素。在数学上可以证明,将电感电流下斜波斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜波上,可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用,使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。因而合成波形信号V∑要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度,峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替,就成为电压模式控制,只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号,见图2所示。当输出电流减小,峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。


當處于空載狀態,輸出電流爲零並且斜坡補償信號幅值比較大的話,峰值電流模式控制就實際上變爲電壓模式控制了。峰值電流模式控制PWM是雙閉環控制系統,電壓外環控制電流內環。電流內環是瞬時快速的,是按照逐個脈沖工作的。

功率級是由電流內環控制的電流源,而電壓外環控制此功率級電流源。在該雙環控制中,電流內環只負責輸出電感的動態變化,因而電壓外環僅需控制輸出電容,不必控制LC儲能電路。由于這些,峰值電流模式控制PWM具有比起電壓模式控制大得多的帶寬。

峰值電流模式控制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控制環易于設計

③輸入電壓的調整可與電壓模式控制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,內在固有的逐個脈沖限流功能。

⑥自動均流並聯功能。 

缺點是:

①占空比大于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制理想。

③容易發生次諧波振蕩,即使占空比小于50%,也有發生高頻次諧波振蕩的可能性。因而需要斜坡補償。

④對噪聲敏感,抗噪聲性差。因爲電感處于連續儲能電流狀態,與控制電壓編程決定的電流電平相比較,開關器件的電流信號的上斜波通常較小,電流信號上的較小的噪聲就很容易使得開關器件改變關斷時刻,使系統進入次諧波振蕩。

⑤電路拓撲受限制。

⑥对多路输出电源的交互调节性能不好。峰值电流模式控制PWM最主要的应用障碍是容易振荡及抗噪声性差。振荡可以来源于:器件开启时的反向恢复引起的电流尖刺,噪声干扰,斜波补偿瞬态幅值不足等。峰值电流模式控制的大功率直流穩壓電源容易在开机启动及电压或负载突然较大变化时发生振荡。


3. 平均电流模式控制PWM (AVERAGE CURRENT-MODE CONTROL PWM):

大功率直流穩壓電源的PWM反馈控制模式有哪几种?

平均电流模式控制概念产生于七十年代后期。平均电流模式控制 PWM集成电路出现在九十年代初期,成熟应用于九十年代后期。平均电流模式控制的发展动力有三:一是峰值电流模式控制PWM在应用推广时碰到许多严重问题;二是INTEL公司的高速CPU集成电路需要具有高DI/DT动态响应供电能力的低电压大电流大功率直流穩壓電源;三是在八十年代后期平均电流模式控制理论研究上的进展。图3.A所示为平均电流模式控制PWM的原理图。输出电压信号VOUT与基准给定电压VREF的差值经过电压误差放大器E/A放大后得到误差电压VE,它接至电流误差信号放大器CA的同相端,作为输出电感电流的控制编程电压信号VCP(V CURRENT- PROGRAM)。

而带有锯齿纹波状分量的输出电感电流信号VI接至电流误差信号放大器CA的反相端,代表跟踪电流编程信号VCP的实际电感平均电流。VI 与VCP的差值经过电流放大器CA的放大后,得到平均电流跟踪误差信号VCA。再由VCA及三角锯齿波信号VT或VS通过比较器比较得到PWM关断时刻。VCA的波形与电流波形VI反相,所以,是由VCA的下斜波(对应于开关器件导通时期)与三角波VT或VS的上斜波比较产生关断信号。显然,这就意味着无形中增加了一定的斜坡补偿。为了避免次谐波振荡,VCA的上斜坡不能超过三角锯齿波信号VT或VS的上斜坡。平均电流模式控制的优点是①平均电感电流能够高度精确地跟踪电流编程信号。②不需要斜坡补偿。③调试好的电路抗噪声性能优越。④适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制。⑤易于实现均流。缺点是①电流放大器在开关频率处的增益有最大限制 ②双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。

3.B为增加输入电压前馈功能的平均电流模式控制,非常适合输入电压变化幅度大、变化速度快的中国电网情况。澳大利亚R-T公司的48V/100A半桥电路通信大功率直流穩壓電源模块实际上采用图3.B的控制方式。

4. 滞环电流模式控制PWM (HYSTERETIC CURRENT-MODE CONTROL PWM):

大功率直流穩壓電源的PWM反馈控制模式有哪几种?

滞环电流模式控制PWM为变频调制,也可以为定频调制。 如图4所示,为变频调制的滞环电流模式控制PWM。将电感电流信号与两个电压值比较,第一个较高的控制电压值VC由输出电压与基准电压的差值放大得到,它控制开关器件的关断时刻;第二个较低电压值VCH由控制电压VC减去一个固定电压值VH得到,VH叫做滞环带,VCH控制开关器件的开启时刻。滞环电流模式控制是由输出电压值VOUT、控制电压值VC及VCH三个电压值确定一个稳定状态,比电流模式控制多一个控制电压值VCH,去除了发生次谐波振荡的可能性,见图4右下示意图。因为VCH1=VCH2,图4右下示意图中的情况不会出现。其优点:①不需要斜波补偿。②稳定性好,不容易因噪声发生不稳定振荡。缺點:①需要对电感电流全周期的检测和控制。②变频控制容易产生变频噪声。

5. 相加模式控制PWM (SUMMING-MODE CONTROL PWM):

大功率直流穩壓電源的PWM反馈控制模式有哪几种?

图5所示为相加模式控制PWM的原理图。与图1.A所示的电压模式控制有些相似,但有两点不同:一是放大器(E/A)是比例放大器,没有电抗性补偿元件。控制电路中电容C1较小起滤除高频开关杂波作用。主电路中的较小的LF、CF滤波电路(如图中虚线所示,也可以不用)也起减小输出高频杂波作用。若输出高频杂波小的话,均可以不加。因此,电压误差放大没有延时环节,电流放大也没有大延时环节。二是经过滤波后的电感电流信号VI也与电压误差信号VE相加在一起构成一个总和信号V∑与三角锯齿波比较,得到PWM控制脉冲宽度。相加模式控制PWM 是单环控制,但它有输出电压、输出电流两个输入参数。如果输出电压或输出电流变化,那么占空比将按照补偿它们变化的方向而变化。其优点是:动态响应快(比普通电压模式控制快3~5倍),动态过冲电压小,输出滤波电容需要较少。相加模式控制中的VI注入信号容易用于电源并联时的均流控制。缺點是:需要精心处理电流、电压取样时的高频噪声抑制 。


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