三種電源控制拓?fù)涞膬?yōu)劣

每一位電源工程師都熟知并學(xué)習(xí)過電壓模式和電流模式控制這些傳統(tǒng)的控制拓?fù)?，但卻不太了解基于遲滯的拓?fù)浼捌鋬?yōu)勢(shì)。雖然純遲滯控制對(duì)于諸如醫(yī)療或工業(yè)自動(dòng)化等特定應(yīng)用可能并不實(shí)用，然而許多比較新的電源拓?fù)涠际腔谶t滯的，并且擁有旨在克服純遲滯控制的缺陷的額外特性。此類拓?fù)浔贿\(yùn)用于從處理器內(nèi)核供電到汽車系統(tǒng)等廣泛領(lǐng)域。

幾乎所有的電源均是專為提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓或電流而設(shè)計(jì)的。提供這種輸出調(diào)節(jié)功能需要一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)和即將被調(diào)節(jié)的輸出電壓或電流的反饋。盡管有很多種用于對(duì)可用反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟煌刂仆負(fù)?，但它們通常都可以被歸為兩類：脈寬調(diào)制（PWM）或遲滯。在這兩種基本拓?fù)涞幕A(chǔ)上演變出了第三種拓?fù)?，其為此二者的融合：基于遲滯的拓?fù)洹ａ槍?duì)不同的應(yīng)用，這些控制拓?fù)涓饔袃?yōu)缺點(diǎn)。

電壓模式控制

脈寬調(diào)制（PWM）控制被歸為兩種基本類型：電壓模式和電流模式。為簡(jiǎn)單起見，本文只討論采用輸入電壓前饋的電壓模式控制。有關(guān)電壓模式與電流模式更為詳細(xì)的比較，圖1示出了降壓轉(zhuǎn)換器中電壓模式控制的基本方框圖。


圖1：電壓模式控制包括了誤差放大器、時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（VREF）

當(dāng)采用電壓模式控制來調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)，它通過一個(gè)連接至其反饋（FB）輸入的阻性分壓器來檢測(cè)輸出電壓的縮小版。具有高增益的誤差放大器隨后將該FB信號(hào)與一個(gè)高準(zhǔn)確度內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。圍繞誤差放大器的環(huán)路補(bǔ)償電路負(fù)責(zé)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。

電壓模式控制擁有諸多的優(yōu)勢(shì)。通過僅調(diào)節(jié)輸出電壓和其他良好受控的內(nèi)部信號(hào)（比如：時(shí)鐘和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓），該拓?fù)渚邆浞浅?qiáng)的抗噪聲能力。而且它還相當(dāng)?shù)睾?jiǎn)單明了。利用輸入電壓前饋保持了簡(jiǎn)單性，以在不斷變化的輸入電壓條件下維持恒定的環(huán)路增益。此外，輸入電壓前饋還可大幅改善針對(duì)線路電壓瞬變的響應(yīng)。最后，時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率的控制，包括使電路同步至一個(gè)外部時(shí)鐘源的可能性。

電壓模式控制的主要劣勢(shì)是必需的環(huán)路補(bǔ)償及對(duì)應(yīng)的環(huán)路帶寬限制。就其本質(zhì)而言，電壓模式控制在功率級(jí)中引入了一個(gè)雙極點(diǎn)，該雙極點(diǎn)位于輸出濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，因而需要在誤差放大器的周圍布設(shè)兩個(gè)正確定位的零點(diǎn)。由于該雙極點(diǎn)的頻率通常很低，因而環(huán)路帶寬被限制在較低的水平。一般情況下，其被限制為不超過開關(guān)頻率的1/10.這對(duì)電源的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生了顯著的負(fù)面影響。因此，設(shè)計(jì)人員必須通過增加輸出電容來獲得更好的瞬態(tài)結(jié)果，從而導(dǎo)致系統(tǒng)成本升高。

考慮到以上的利弊權(quán)衡，電壓模式控制仍然是頗具價(jià)值的，尤其在那些對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中。電壓模式控制的高噪聲耐受性及其可同步至一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的能力使其很適合于對(duì)噪聲最為敏感的應(yīng)用，例如：醫(yī)療和儀表設(shè)備等。

遲滯控制

純粹和基本形式的遲滯控制是極其簡(jiǎn)單的，所有控制拓?fù)渲凶詈?jiǎn)單的一種（圖2）。在其端子之間具有某些小遲滯的比較器通過FB輸入將輸出電壓直接與高準(zhǔn)確度的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行比較。


圖2：簡(jiǎn)單的遲滯控制拓?fù)渲恍枰粋€(gè)比較器和內(nèi)部VREF

這種直接控制輸出電壓的優(yōu)勢(shì)在于控制環(huán)路的速度。當(dāng)輸出電壓由于瞬變的原因而發(fā)生變化時(shí)，控制環(huán)路開始做出反應(yīng)所需的時(shí)間僅受限于比較器和柵極驅(qū)動(dòng)器中的傳播延遲。誤差信號(hào)不必穿過低帶寬誤差放大器。因此，遲滯拓?fù)涫撬俣茸羁斓目刂仆負(fù)洹?br />
此外，其工作原理的簡(jiǎn)單性還使其能在無需任何環(huán)路補(bǔ)償?shù)那闆r下保持固有的穩(wěn)定性。而且這種簡(jiǎn)單性也使之成為一種低成本的拓?fù)?。在電源中沒有需要設(shè)計(jì)、構(gòu)建和測(cè)試的振蕩器或誤差放大器?？刂崎_關(guān)動(dòng)作僅需一個(gè)基本的比較器即可。

遲滯拓?fù)涞闹饕毕菔瞧溟_關(guān)頻率變化。沒有負(fù)責(zé)設(shè)定開關(guān)頻率的時(shí)鐘或同步信號(hào)。取而代之的是，開關(guān)頻率由遲滯量以及外部組件和工作條件來設(shè)定。

當(dāng)采用純遲滯轉(zhuǎn)換器時(shí)，預(yù)計(jì)在輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)將發(fā)生很大的頻率變化。而且，如果不采用一個(gè)高增益誤差放大器的話，所實(shí)現(xiàn)的輸出電壓的DC設(shè)定點(diǎn)有可能不如采用電壓模式控制時(shí)那么精準(zhǔn)。最后，遲滯控制需要利用輸出電容器中的等效串聯(lián)電阻（ESR）。因此，當(dāng)運(yùn)用純遲滯拓?fù)鋾r(shí)，一般不能使用ESR極小的陶瓷輸出電容器。

但是，在某些低功率、非常低成本的應(yīng)用中（比如：玩具），由于此類終端設(shè)備的價(jià)位非常之低，而且其低功率在遲滯電源的寬開關(guān)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）水平很低，因此遲滯轉(zhuǎn)換器也許是可以接受的。另外，具有非常嚴(yán)酷之瞬變的系統(tǒng)需要采用遲滯或基于遲滯的拓?fù)鋪砭S持可接受的輸出電壓調(diào)節(jié)。假如這些系統(tǒng)的輸入電壓、輸出電壓和其他工作條件處于良好受控的狀態(tài)，則開關(guān)頻率被保持在一個(gè)可接受的范圍之內(nèi)。這使得遲滯控制成為那些依靠一個(gè)固定輸入電壓運(yùn)作并產(chǎn)生一個(gè)固定輸出電壓的應(yīng)用的有效選擇。