4.2 电压型控制

电压型控制（voltage-mode control）是开关电源最基本的一种控制，属于单环负反馈控制。其实质是：输出电压被检测后，与给定（基准）值Vref比较，电压误差经放大后（称为控制信号Vc），作用于脉宽调制电路（PWM），将负载上取得的模拟信号转变为断续的脉冲信号，驱动功率开关管，形成反馈。恒频下的驱动脉冲宽度（简称脉宽）为dTs，d为占空比，Ts为开关周期。因此，最基本的开关稳压电源（switched-mode power supply，switching voltage regulator）是一个单闭环负反馈控制系统，以下简称开关电源。下面以DC-DC开关电源为例，说明其控制原理。其中所述各种控制方法也适用于AC-DC开关电源。

图4.2所示为DC-DC脉宽调制（PWM）开关稳压电源的电路原理框图，开关电源也可用脉冲频率调制（PFM）。电路框图包括主电路和控制电路。后者还有过电压保护、过电流保护、前馈控制（一种开环控制，详见第4.3节）以及软启动电路等。脉宽调制器是一个比较器，将控制信号Vc与频率一定的锯齿波电压进行比较，如图4.3所示。因此，在集成控制电路中还包括频率一定的时钟信号和锯齿波发生器，时钟频率决定了PWM开关电源的开关频率。设锯齿波电压幅值为Vm，锯齿波宽为Ts（决定了开关周期），一个周期内控制信号Vc与锯齿波有一次相交，决定了PWM的输出脉冲宽度dTs。显见，在相交点有Vc/Vm=d。

图4.2 DC-DC脉宽调制开关稳压电源的电路原理框图

图4.3 脉宽调制器

已知DC-DC开关变换器的输出-输入电压比Vo/Vi与占空比d有关，即Vo/Vi=f（d）。任何原因使负载电压Vo变化时，由于系统的负反馈控制作用，PWM输出脉冲宽度（即占空比d）自动调整，从而自动实现稳压，使Vo的变化保持在给定值附近的允许范围之内。

设功率电路为DC-DCBuck变换器，电压型控制的开关稳压电源电路图如图4.4所示。电压检测由分压器实现，Vref为给定电压；Ve为检测电压与给定值间的误差；Vc为误差放大器输出，即控制电压，它与锯齿波电压比较后，产生占空比为d的脉冲，作用于驱动器。

为保证控制电路安全运行，有时需在电路中增加隔离措施，可用变压器和光耦合器两种隔离方式。光耦合器是发光二极管和光晶体管的组合元件，利用“电流-发光-电流”的原理。图4.5所示为在开关电源主电路和控制电路之间用光耦合器隔离，发光二极管与开关电源输出电压Vo相连，在集成电路TL431的C端接发光二极管，R端接电压检测器输出。TL431兼有开关电源给定电压Vref和误差放大器的作用。其外形类似晶体管，符号如图4.6（a）所示，包括2.5V参考电压；运算放大器及晶体管电路如图4.6（b）所示。

图4.4 电压型控制的开关稳压电源电路图

图4.5 主电路和控制电路之间用光耦合器隔离

电压型控制的开关电源的主要缺点是动态响应慢。例如，当电网电压阶跃增加时，必须等到控制系统检测出负载电压上升，才能产生负反馈调节作用，即d不能瞬时响应。图4.7给出了电压型控制的开关电源的几个主要参量波形：vi（t）、vo（t）、vc（t）、d（t）。电网电压vi（t）阶跃增加，输出电压vo（t）超调、衰减振荡，经过若干开关周期，才进入新的稳态。

图4.6 TL431

图4.7 电压型控制的开关电源的几个主要参量波形