第1章 开关电源基础知识

1.1 电感式开关电源

1.1.1 开关电源构成与分类

开关电源具有体积小、效率高等一系列优点，在各类电子产品中得到广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高，所以开关电源的应用也受到一定的限制。

电子装置小型轻量化的关键是供电电源的小型化，因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗和电源的体积。开关电源中的调整管工作于开关状态，必然存在开关损耗，而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另外，开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗，也随开关频率的提高而增加。

目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十kHz，而采用MOSFET器件的开关电源的开关频率可达几百kHz，为提高开关电源的开关频率必须采用高速开关器件。对于开关频率在兆赫以上的开关电源可采用谐振工作方式，谐振工作方式的开关电源的开关损耗理论上为零，噪声也很小，采用谐振工作方式的兆赫级开关电源目前已经实用化。

1.开关电源的基本构成

开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。高频开关稳压电源的基本构成如图1-1所示，图1-1中DC/DC变换器是开关电源的核心部分（实现功率转换），此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路（R1、R2）检测输出电压变化，与基准电压VREF进行比较，比较后获得的误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路处理，输出至驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。如图1-2所示为一种高频开关稳压电源的原理电路。

开关电源核心部分的DC/DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器，以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。

2.开关电源的优缺点

1）开关电源的优点

（1）功耗小，效率高。在图1-2所示的开关电源电路中，开关管在激励信号的激励下，交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，开关管的转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百kHz或者近1000kHz。这使得开关管的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%以上。

（2）体积小，质量轻。从开关电源的原理框图可以清楚地看到，电路中没有采用笨重的工频变压器。由于开关管上的损耗功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面的原因，使开关电源体积变小，质量变轻。

（3）稳压范围宽。开关电源的输出电压是由激励信号来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变开关管占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关电源。

（4）滤波的效率大为提高。由于开关电源开关频率的提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。开关电源的工作频率目前基本上工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500～1/1000。

（5）电路形式灵活多样。开关电源的形式有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等，设计中可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关电源。

2）开关电源的缺点

开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰，在开关电源中，功率调整开关管工作在开关状态，在其开关过程中产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施来抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响系统的正常工作。此外，因开关电源振荡电路中没有工频变压器隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和控制设备受到严重的干扰。

目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些国际领先技术还有一定的差距，因而开关电源的造价还不能进一步降低，也影响了其广泛应用和可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器及机电一体化仪器中，开关电源还不能得到十分广泛的普及应用。特别是在无工频变压器开关电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能令人十分满意。开关电源的另一个缺点是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果在设计和制造中不予以充分重视，则将直接影响到开关电源的推广应用。目前影响开关电源推广应用的主要因素有：制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

3.开关电源的分类

现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备提出了更多要求：在性能上，更加安全可靠；在功能上，不断地增加；在使用上，自动化程度越来越高；在体积上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关电源就显得更加重要了。所以，开关电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关电源的品种和类型也越来越多。如图1-3所示给出了各种类型开关稳压电源的原理图。

1）按激励方式分类

（1）他激式开关电源。电路中设有激励信号的振荡器，电路形式如图1-3（e）所示。

（2）自激式开关电源。开关管兼做振荡器中的振荡管，电路形式如图1-3（f）所示。

2）按调制方式分类

（1）脉宽调制型开关电源。开关电路的振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

（2）频率调制型开关电源。开关电路的占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

（3）混合调制型开关电源。通过调节开关管导通时间和开关频率来完成调节和稳定输出电压的目的。

3）按开关管电流的工作方式分类

（1）开关型开关电源。用开关管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。

（2）谐振型开关电源。开关管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。

4）按开关管的类型分类

（1）晶体管型开关电源。采用晶体管作为开关管，电路形式如图1-3（d）所示。

（2）晶闸管型开关电源。采用晶闸管作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图1-3（c）所示。

5）按储能电感与负载的连接方式分类

（1）串联型开关电源。储能电感串联在输入电压与输出电压之间，电路形式如图1-3（a）所示。

（2）并联型开关电源。储能电感并联在输入电压与输出电压之间，电路形式如图1-3（b）所示。

6）按开关管的连接方式分类

（1）单端式开关电源。开关电路中仅使用一个开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不高，其电路形式如图1-3（a）、图1-3（b）和图1-3（d）所示。

（2）推挽式开关电源。使用两个晶体管作为开关管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头，电路形式如图1-3（j）所示。

（3）半桥式开关电源。使用两个晶体管作为开关管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。电路形式如图1-3（i）所示。

（4）全桥式开关电源。使用四个开关管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的功率比较大。其电路形式如图1-3（k）所示。

7）按输入与输出的电压大小分类

（1）升压式开关电源。输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关电源。

（2）降压式开关电源。输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关电源。

8）按工作方式分类

（1）可控整流型开关电源。所谓可控整流型开关电源，是指采用晶闸管整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，也可用变压器变压后供电。（这种供电方式在开关电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不大采用。）可控整流型开关电源依靠调节晶闸管整流元件导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的，其电路如图1-3（h）所示。

（2）斩波型开关电源。斩波型开关电源是指采用直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定直流电压。斩波型开关电源的控制电路从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制开关管的导通时间和截止时间的长短或开关管的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。电路的过压保护电路也是依据这一部分提供的取样信号来工作的。斩波型电路形式如图1-3（g）所示。

（3）隔离型开关电源。这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通，隔离型开关电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。这种形式的开关电源在实际稳压电源中应用最为广泛。

9）按电路结构分类

（1）散件式开关电源。整个开关电源电路都是采用分立元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。

（2）集成电路式开关电源。整个开关电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路中包括开关管，有的则不包括开关管。这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。彩色电视机中常采用这种开关电源。

以上阐述的开关电源的品种都是站在不同的角度，以开关电源不同特点而分类的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关电源和并联型开关电源这两大类。

1.1.2 开关型DC/DC变换器主电路结构

1.开关型DC/DC变换器中的储能元件

开关电源利用无源磁性元件和容性元件的能量存储特性，从输入电压源获取能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，以实现DC/DC变换。

实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。现在，大多数开关电源采用PWM（脉冲宽度调制）控制技术。DC/DC变换器工作时输入端的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平均能量转换。PWM的占空因数D是“tON”时间（tON，从电源提取能量的时间）与总开关周期（T）之比。对于开关电源，其稳定的输出电压正比于PWM占空因数。

在开关型DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。磁性元件所耦合的功率是：

式中PL——磁性元件所耦合的功率；

L——磁性元件的电感；

I——流过磁性元件的电流；

f——流过磁性元件的电流的频率。

随着开关频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小。由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。

电容元件所耦合的功率是：

式中PC——磁性元件所耦合的功率；

C——电容元件的电容容量；

V——电容元件两端的电压；

f——电容元件两端的电压的频率。

随着开关频率的提高，储能电容器的容量和外形尺寸也相应地减小。

元件容量和外形尺寸的减小，对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积和印制电路板面积。

2.开关型DC/DC变换器拓扑结构

开关型DC/DC变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。很多不同的开关电源拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件，如变压器来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电路）。开关型DC/DC变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性诸因素选定的。

1）非隔离开关型DC/DC变换器

下面介绍常用的四种非隔离开关型DC/DC变换器的输出电压（VOUT）和输入电压（VIN）的关系。

（1）降压开关型DC/DC变换器。降压开关型DC/DC变换器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压。输出电压（VOUT）和输入电压（VIN）的关系为：

式中VOUT——变换器输出电压；

VIN——变换器输入电压；

D——占空因数。

（2）升压开关型DC/DC变换器。升压开关型DC/DC变换器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压。输出电压和输入电压的关系为：

（3）逆向开关型DC/DC变换器。逆向开关型DC/DC变换器将一输入电压变换成一较低的反相输出电压。输出电压与输入电压的关系为：

（4）Cuk开关型DC/DC变换器。Cuk（丘克）开关型DC/DC变换器将一输入电压变换成一稳定反相较低值或较高值输出电压（电压值取决于占空比）。输出电压与输入电压的关系为：

式中n——变压器匝数比。

2）隔离开关型DC/DC变换器

隔离开关型DC/DC变换器拓扑结构有很多种，但其中三种比较通用，分别是：反激隔离开关型DC/DC变换器、正激隔离开关型DC/DC变换器、推挽隔离开关型DC/DC变换器。在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器或其他磁耦合元件实现的。

（1）反激隔离开关型DC/DC变换器。反激隔离开关型DC/DC变换器不需要磁复位措施，可将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。输出电压与输入电压的关系为：

式中n——变压器匝数比，。

（2）正激隔离开关型DC/DC变换器。正激隔离开关型DC/DC变换器需增加磁复位措施，可将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。输出电压和输入电压关系为：

（3）推挽隔离开关型DC/DC变换器。推挽隔离开关型DC/DC变换器将一输入电压变换成一稳定较低值输出电压。它们的关系为：

3.DC/DC变换器典型电路结构

降压斩波电路原理如图1-4所示，斩波器负载为R，当开关S合上时，VOUT=VR=VIN，并持续t1时间。当开关切断时VOUT=VR=0，并持续t2时间，T=t1+t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形如图1-4（b）所示。若定义斩波器的占空比，t1为斩波器导通时间，T为通断周期。通常斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制工作方式，维持T不变，改变t1；二是脉频调制工作方式，维持t1不变，改变T。当占空比D从零变到1时，输出电压平均值从零变到VIN，其等效电阻也随着D而变化。

在高频稳压开关电源设计中，普遍采用的是脉宽调制方式。因为频率调制方式容易产生谐波干扰，而且滤波器设计也比较困难。

1）降压式（Buck）DC/DC变换器

图1-4所示的直流变换器在使用时输出纹波较大，为降低输出纹波，在输出端接入电感L、电容C，如图1-5所示，图1-5中VD2为续流二极管。降压式变换器的输出电压平均值VOUT总是小于输入电压VIN。通过电感中的电流（iL）是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

当电路工作频率较高，若电感量和电容量足够大并为理想元件，电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。当晶体管VT1导通时，电感中电流呈线性上升，因而有：

式中ton——晶体管导通时间；

io（max）——输出电流最大值；

io（min）——输出电流最小值；

Δion——晶体管导通时间输出电流变量。

当晶体管截止时，电感中电流不能突变，电感上感应电动势使二极管导通，这时：

式中toff——晶体管截止时间；

Δioff——晶体管截止时间输出电流变量。

在稳态时

Δion=Δioff=Δi （1-12）

式中Δi——输出电流变量。

因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量。输出电流平均值为：

式中R——负载电阻。

2）升压式（Boost）DC/DC变换器

如图1-6所示为升压式DC/DC变换器电路，它由功率晶体管VT1、储能电感L、二极管VD2及滤波电容C组成。当功率晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载Z由电容C供电。当VT1截止时，电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感中能量释放，与输入电压顺极性一起经二极管向负载供电，并同时向电容充电。这样把低压直流变换成高压直流。在电感电流连续的条件下，电路工作于图1-6（b）所示的两种状态。

（1）当晶体管导通、二极管截止（即0≤t≤t1）期间，t1=0～DT，t=0时刻，VT1导通，电感中的电流按直线规律上升，。

（2）当晶体管由导通变为截止（即t1≤t≤T）期间，电感电流不能突变，产生感应电动势迫使二极管导通，此时：

则

式中ΔI——输入电流变量。

将t1=DT，t2=（1-D）T代入上式，则求得：

Boost DC/DC变换器是一个升压斩波器。当D从零趋近于1时，VOUT从VIN变到任意大。同理可求得输入电流：

式中I——输入电流；

f——开关转换频率。

若忽略负载电流脉动，那么[0，t1]期间，电容上泄放的电荷量反映了电容峰—峰电压脉动量，即输出电压VOUT的脉动量。

3）单端正激DC/DC变换器

单端正激DC/DC变换器电路拓扑图如图1-7所示。图1-7中变压器T1起隔离和变压的作用，在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）起能量的储存及传递作用，变压器初级需有复位绕组Nr。在实际使用中，此绕组也用R、C、VD吸收电路取代即可，如果芯片的辅助电源用反激供给则也可削去调整管的部分峰值电压（相当于一部分复位绕组）。输出回路需有一个整流二极管VD1和一个续流二极管VD2。若变压器使用无气隙的磁芯，则其铜损较小，变压器温升较低，并且其输出的纹波电压较小。

4）单端反激DC/DC变换器

单端反激DC/DC变换器电路拓扑图如图1-8所示。其变压器T1起隔离和传递储存能量的作用，即在开关管Q开通时Np储存能量，开关管Q关断时Np向Ns释放能量。在输出端需加由电感器Lo和两个电容Co1和Co2组成的低通滤波器，变压器初级有Cr、Rr和VDr组成的R、C、VD漏感尖峰吸收电路。输出回路需有一个整流二极管VD1。若变压器使用有气隙的磁芯，则其铜损较大，变压器温相对较高，并且其输出的纹波电压比较大。但其优点就是电路结构简单，适用于200W以下的电源，输出为多路时具有较好的交调特性。

5）双管正激DC/DC变换器

双管正激DC/DC变换器电路拓扑图如图1-9所示。图1-9中变压器T1起隔离和变压的作用，在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）起能量储存及传递作用，变压器初级不需要复位绕组，因为VD1、VD2的导通限制了两个调整管关断时所承受的电压。输出回路需要有一个整流二极管VD3和一个续流二极管VD4（其中VD3、VD4最好选用恢复时间短的整流管）。输出滤波电容Co应选择低ESR（等效电阻）大容量，有利于降低纹波电压（这对于其他拓扑结构的也是这样要求）。双管正激DC/DC变换器的工作特点如下：

（1）在任何工作条件下，为使两个开关管所承受的电压不会超过VIN、+VD（VIN：输入电压；VD：VD1、VD2的正向压降。），VD1、VD2必须是快恢复管（恢复时间越短越好，在实际设计和调试中多使用MUR460）。

（2）与单端正激DC/DC变换器相比，不需要复位电路，有利于简化电路和变压器设计；功率器件可选择较低的耐压值；功率等级也会很大。

（3）两个开关管工作状态一致，同时处于通态或断态。在大功率等级电源中选用此种电路，其开关管比较容易选择，例如，选择IRFP460、IRFP460A等作为开关管即可。

6）双管反激DC/DC变换器

双管反激DC/DC变换器电路拓扑图如图1-10所示。图1-10中变压器T1起隔离和传递储存能量的作用，即在开关管Q1、Q2开通时Np储存能量，开关管Q1、Q2关断时Np向Ns释放能量，同时Np的漏感将通过VD1、VD2返回给输入，可省去R、C、VD漏感尖峰吸收电路。在输出端要加由电感器Lo和两电容（Co1和Co2）组成的低通滤波器。输出回路需有一个整流二极管VD3。

双管反激DC/DC变换器的工作特点如下：

（1）在任何工作条件下，为使两个开关管所承受的电压不会超过VIN、+VD，VD2、VD3必须是快恢复管。

（2）在反激开始时，储存在原边Np的漏电感能量会经VD2、VD3反馈回输入，系统能量损失小，效率高。

（3）与单端反激变换器相比，不需要R、C、VD吸收电路；功率器件可选择较低的耐压值；功率等级也会很大。

（4）轻载时“开通”周期储存在变压器的原边绕组显得过多的能量，在“关断”周期会将过多的能量反馈到输入。

（5）两个开关管工作状态一致，下管的波形会优于上管的波形。

7）半桥DC/DC变换器

半桥DC/DC变换器电路拓扑图如图1-11所示。图1-11中变压器T1起隔离和传递能量的作用。开关管Q1导通时，Np绕组上承受一半的输入电压，副边绕组电压使VD1导通；反之亦然。输出回路VD1、VD2、Lo、Co共同组成了整流滤波电路。

此电路减小了原边开关管的电压应力，所以是目前比较成熟和常见的电路，如PC电源70%以上、电子镇流器60%都使用此电路。半桥DC/DC变换器的工作特点如下：

（1）两个调整管都是相互交替打开的，所以两组驱动波形相位差要大于180°，但存在一定的死区时间。

（2）C1=C2、R1=R2。

（3）C1、C2主要用来自动平衡每个开关管的伏秒值，许多半桥DC/DC变换器的C1、C2多选用高压铝电解电容，因为铝电解电容存在一个高频特性的问题，在实际应用中可采用CBB电容。

（4）C3主要用于滤去影响伏秒平衡的直流分量，应采用CBB电容。

8）全桥DC/DC变换器

全桥DC/DC变换器电路拓扑图如图1-12所示。全桥DC/DC变换器多用于大功率等级电源中，其主要特点如下：

①变压器利用率比较高，空载能量可以反馈回电网、电源效率高。

②稳态无静差、动态响应速度快、系统稳定、抗高频干扰能力强。

9）推挽式DC/DC变换器

推挽式DC/DC变换器电路拓扑图如图1-13所示。图1-13中变压器T1起隔离和传递能量的作用。在开关管Q1开通时，变压器T1的Np1绕组工作并耦合到副边Ns1绕组，开关管Q1关断时Np1向Ns1释放能量；反之亦然。在输出端由续流电感器Lo和VD1、VD2构成副边整流电路。在电路设计中开关管两端应加由R、C组合的吸收电路，以吸收开关管关断时所产生的尖峰浪涌。推挽式DC/DC变换器的工作特点如下：

（1）在任何工作条件下，开关管都承受两倍的输入电压，所以此电路多用于大功率等级的DC/DC电源中。

（2）两个开关管都是相互交替打开的，所以两组驱动波形相位差要大于180°，并存在一定的死区时间。

1.1.3 开关型DC/DC变换器控制方式

1.电压、电流控制基本原理

脉宽调制（PWM）型开关电源只对输出电压进行采样，实行闭环控制，这种控制方式属于电压控制型，是一种单环控制系统。而电流控制型DC/DC开关变换器是在电压控制型的基础上，增加了电流反馈环，形成双环控制系统，使得开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有所提高，是目前较为理想的工作方式。

1）电压控制型的基本原理

电压控制型的基本原理如图1-14所示。电源输出电压VOUT与参考电压VREF比较放大，得到误差信号Ve，再与斜坡信号比较后，由PWM比较器输出一定占空比的系列脉冲，这就是电压控制型的基本原理。其最大缺点是：控制过程中电源电路内的电流值没有参与进去。因开关电源的输出电流是要流经电感的，故对于电压信号有90°的相位延迟，然而对于稳压电源来说，应当考虑电流的大小，以适应输出电压的变化和负载的需求，从而达到稳定输出电压的目的，因此仅采用输出电压采样的方法，其响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号变化时会产生振荡，造成功率管损坏等故障。

2）电流控制型的基本原理

电流控制型是针对电压控制型的缺点而发展起来的，从图1-15所示电路中可以看到，它除保留了电压控制型的输出电压反馈外，又增加了一个电流反馈环节。所谓电流控制型，就是在脉宽比较器的输入端将电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的峰值电流跟随误差电压变化。

电流控制型的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲逐渐增大，当电流在采样电阻RS两端的电压幅度达到Ve时，脉宽比较器状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，功率管截止，这样逐个检测和调节电流脉冲，即可达到控制电源输出的目的。电流控制型的主要优点如下：

（1）线性调整率（电压调整率：≤0.01%）非常好，可与优良的线性稳压器媲美，这是因为Vc的变化反映为电感电流的变化，它不经过误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度，再加一级输出电压VOUT至误差放大器的控制，能使线性调整率更好。

（2）明显地改善了负载调整率，因为误差放大器专门用于控制由于负载变化而造成的输出电压的变化。特别是在轻载时，输出电压升高的幅度大大减小。从1/3负载至满载，负载调整率为8%；2/3负载至满载，负载调整率为3%以下。

（3）简化了过流保护电路（电流限制电路）。由于RS上感应出峰值电感电流，所以自然形成脉冲限流电路。这种峰值电感电流感应检测技术可以灵敏、精确地限制最大输出电流，所以整个开关电源中的磁性元件（高频变压器）和功率元件（高压开关管）不必设计较大的余量，就能保证稳压电源工作可靠，成本降低。

（4）误差放大器的外补偿电路简化，改善了频率响应，具有更大的增益（带宽乘积）。由于电感电流是连续的，所以RS上检测出的峰值电感电流能代表平均电流。整个电路可看做一个误差电压控制电流源。变换器（误差放大器）的幅频特性由双极点变成单极点，因而可以改善整个稳压器的特性。

2.电压、电流反馈控制模式

现在开关电源主要有五种PWM反馈控制模式。其输入电压、电流等信号作为取样控制信号时，大多也需经过处理，针对不同的控制模式其处理方式也不同。下面以VDMOS开关器件构成的稳压正激型降压斩波器为例，讲述五种PWM反馈控制模式的发展过程、基本工作原理、电路原理示意图、波形、特点及应用要点，以利于选择应用及仿真建模研究。

1）电压反馈控制模式

图1-16（a）所示为Buck降压斩波器的电压模式控制原理图。电压反馈控制模式是20世纪60年代后期开关电源刚刚开始发展而采用的一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界被广泛应用。电压反馈控制模式只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将经电压误差放大器放大的慢变化的直流采样信号与恒定频率的三角波上斜坡信号相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度，如图1-16（a）中所示的波形。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路中输出电容C及电感L有较大的相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是动态响应慢的主要原因。

（1）电压反馈控制模式的优点。

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。

（2）电压反馈控制模式的缺点。

①对输入电压的变化动态响应较慢。

②补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂。

③输出端的LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。

④在控制磁芯饱和故障状态方面较为复杂。

改善加快电压模式控制动态响应速度的方法有两种：一种方法是增加电压误差放大器的带宽，保证具有一定的高频增益。但是这样容易受高频开关噪声干扰影响，需要在主电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理。另一种方法是采用电压前馈控制模式，电压前馈控制模式的原理图如图1-16（b）所示。用输入电压对电阻（Rtt）、电容（Ctt）充电产生具有可变化的上斜坡的三角波，取代传统电压反馈控制模式中振荡器产生的固定三角波。此时输入电压变化能立刻在脉冲宽度的变化上反映出来，因此该方法对输入电压的变化引起的动态响应速度明显提高。对输入电压的前馈控制是开环控制，而对输出电压的控制是闭环控制，目的是增加对输入电压变化的动态响应速度，这是一个由开环和闭环构成的双环控制系统。

2）峰值电流反馈控制模式

峰值电流反馈控制模式简称峰值电流控制模式，它的概念在20世纪60年代后期来源于原边具有电流保护功能的单端自激式、反激式开关电源。在70年代后期才从学术上做深入的建模研究。直至80年代初期，第一批峰值电流控制模式集成电路（UC3842、UC3846）的出现，使得峰值电流控制模式迅速推广应用，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，峰值电流控制模式面临着改善性能后的电压控制模式的挑战。如图1-17所示，误差电压信号Ve送至PWM比较器后，并不是像电压控制模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡信号比较，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VΣ比较，PWM比较器的输出信号经触发器、与非门电路控制PWM脉冲关断时刻ton（控制PWM脉冲宽度）。因此峰值电流控制模式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。

峰值电流控制模式是一种固定时钟开启关断峰值电流的控制方法，因为峰值电感电流容易检测，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，将电感电流下斜坡斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜坡上，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VΣ要由斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度时，峰值电流控制模式就会转化为电压控制模式。若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替，就成为电压控制模式，只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号。当输出电流减小，峰值电流控制模式就从原理上趋向变为电压控制模式。当处于空载状态，输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话，峰值电流控制模式实际上就变为电压控制模式了。

峰值电流控制模式是双闭环控制系统，即电压外环控制和电流内环控制。电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电压，不必控制LC储能电路。由于以上原因，峰值电流控制模式具有比电压控制模式大得多的带宽。

（1）峰值电流控制模式的优点。

①暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的动态响应均快。

②控制环易于设计。

③输入电压的调整可与电压控制模式的输入电压前馈技术相媲美。

④简单自动的磁通平衡功能。

⑤瞬时峰值电流限流功能，即内在固有的逐个脉冲限流功能。

⑥自动均流并联功能。

（2）峰值电流控制模式的缺点。

①占空比大于50%时开环不稳定，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差。

②闭环响应不如平均电流控制模式理想。

③容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50%，也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿。

④对噪声敏感，抗噪声性差。因电感处于电流连续工作状态，与控制电压编程决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号的上斜坡通常较小，电流信号上有较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡。

⑤电路拓扑受限制。

⑥用于多路输出电源时，交互调节性能不好。

3）平均电流控制模式

平均电流控制模式概念产生于20世纪70年代后期。平均电流控制模式集成电路出现在90年代初期，成熟应用于90年代后期的高速CPU专用的具有高di/dt动态响应供电能力的低电压大电流开关电源。图1-18（a）所示为平均电流模式控制PWM原理图。将误差电压Ve接至电流误差信号放大器（e/a）的同相端。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（e/a）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（e/a）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关断信号。Vca的波形与电流波形Vi反相，所以，是由Vca的下斜坡（对应于开关器件导通时期）与三角波Vt或Vs的上斜坡比较产生关断信号。显然，这就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。

（1）平均电流控制模式的优点。

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。

（2）平均电流控制模式的缺点。

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。

图1-18（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、变化速度快的交流电网情况。澳大利亚R-T公司的48V/100A采用半桥整流电路的通信开关电源模块实际上采用图1-18（b）的控制方式。

4）滞环电流控制模式

滞环电流控制模式为变频调制，也可以为定频调制。如图1-19所示为变频调制的滞环电流控制模式PWM原理图。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（Vh为滞环带）得到，Vch控制开关器件的开启时刻。滞环电流控制模式是由两个控制电压值Vc及Vch确定一个稳定状态，比电流控制模式多一个控制电压值Vch，去除了发生次谐波振荡的可能性。

（1）滞环电流控制模式的优点。

①不需要斜坡补偿。

②稳定性好，不容易因噪声发生不稳定振荡。

（2）滞环电流控制模式的缺点。

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）相加控制模式

如图1-20所示为相加模式控制PWM原理图，与图1-16所示的电压控制模式有些相似，但有两点不同。

（1）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的电容值较小，起滤除高频开关杂波作用。主电路中的Lf、Cf滤波电路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。

（2）经过滤波后的电感电流信号Va也与电压误差信号Ve相加在一起构成一个总和信号VΣ与三角锯齿波比较，得到PWM控制脉冲宽度。相加控制模式是单环控制，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。

相加控制模式的优点是：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，输出滤波电容容量小。相加控制模式中的Va注入信号容易用于电源并联时的均流控制。

相加控制模式的缺点是：需要采取措施抑制电流、电压取样电路的高频噪声。

不同的PWM反馈控制模式具有各自不同的优缺点，在设计开关电源选用时要根据具体情况选择合适的PWM反馈控制模式。各种PWM反馈控制模式的选择一定要考虑结合具体开关电源的输入/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反馈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。

3.采用PWM技术控制的DC/DC变换器

脉冲宽度调制（PWM）DC/DC变换器就是通过控制开关管重复通/断的工作方式把一种直流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），再经过整流平波后变为另一种直流电压输出。PWMDC/DC变换器由功率开关管、整流二极管、滤波电路和PWM控制电路等组成。输入/输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升降压。PWMDC/DC变换器的基本工作原理如图1-21所示。由于开关工作频率的提高，滤波电感L、变压器T等磁性元件，以及滤波电容C等都可以小型化。

对于PWMDC/DC变换器，加在开关管VT两端的电压Vs及通过VT的电流Is的波形近似为方波，如图1-22所示。

对于开关型DC/DC变换器，有两种工作方式：一种是保持开关工作周期Ts不变，控制开关导通时间ton的脉冲宽度调制（PWM）方式，另一种是保持导通时间ton不变，改变开关工作周期Ts的脉冲频率调制（PFM）方式。

PWMDC/DC变换器的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。

一般来讲，正激型开关电源主电路可用图1-23所示的降压斩波器简化表示，Vg表示控制电路的PWM输出驱动信号。根据选用不同的PWM反馈控制模式，电路中的输入电压Vd、输出电压VOUT、开关器件电流（由b点引出）、电感电流（由c点引出或d点引出）均可作为取样控制信号。输出电压VOUT在作为控制取样信号时，通常经过如图1-24所示的电路处理，得到电压信号Ve，Ve再经处理或直接送入PWM控制器。图1-24所示的电路中电压运算放大器（e/a）的作用如下：

（1）将输出电压与给定电压VREF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）将开关电源主电路输出端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。