4.5 其他控制方法

除常用的电压型控制、电流型控制和前馈型控制方法，还有电荷控制、单周控制、磁调节器控制等方法。

1.电荷控制

1979年，A.Carpel提出电荷控制的双环DC-DC开关电源。图4.13（a）所示为电荷控制反激变换器的原理电路图，图中未画出电压环。图4.13（b）所示为主要参量波形图。电荷控制检测的是开关电流is，经过电容CT积分。电容电压vT（与电荷Q成正比）与控制电压Vc比较后，产生占空比d。

电荷Q=∫isdt∝平均电流Is （4.1）

电压vT=∫isdt/CT=Q/CT （4.2）

电荷控制是一种特殊的电流型控制。其工作原理是：每周期开始时功率开关S1开通，在ton时间内，开关电流is的积分为电荷Q，与开关电流平均值Is成正比，利用ton时间内的电荷作为负反馈控制信号。当电容电压峰值VT=Vc时，功率开关管关断，逻辑元件使CT上的开关S2闭合，电容放电，在下一周期开始前放电完毕。电容CT每周期放电一次，即被控制的是一个周期内的电荷。

电荷控制的特点是：开关噪声较小，可控制开关电流的平均值。对于Buck、Flyback等变换器，输入电流是脉动的，无法用平均电流型控制，否则需要较强的滤波。因此，电荷控制适合于在Buck、Flyback型CCM模式功率因数校正装置中应用，也可用于谐振变换器，而峰值电流和平均电流型控制均不能应用于谐振变换器。

电荷控制的缺点是：电流环稳定性与电网电压及负载变化有关，限制其广泛应用。

1994年W.Tang建立了电荷控制开关变换器的瞬态分析模型，并将这种控制方法推广应用于多谐振正激变换器（有3个谐振元件的准谐振变换器）。20世纪末，国内专业人士将这种控制原理成功地应用于48V/50A的LCC谐振变换器，并实现产品化。

2.单周控制

1990年K.Smedley提出了开关变换器的单周控制（one cycle control）的概念。

下面以图4.14所示BuckPWM开关变换器为例，说明单周控制的原理。主开关管S1的输入端电压为电网电压vi，S1的输出电压为整流管VD的电压vD，是被检测量。设变换器运行于CCM（也可运行于DCM，见参考文献[1]）。反馈控制电路中有积分放大器，对检测值vD实时积分。积分电容C并联一个小开关S2，S2的开闭与S1同步，t∈[0，dTs]，S1导通，S2开路；t∈[dTs，Ts]，S1关断，S2闭合。

输入电压vi经S1斩波后的vD为一个开关变量。再经LC滤波，即得输出电压vo=dvi，vo包含输出平均（DC）电压Vo及开关纹波。

整流管电压vD的平均值为

积分值A（单位为V·s）与vD成正比，反映了输入电压的大小，并实时跟随给定电压Vref。

图4.15给出了单周控制的Buck开关电源主要参量波形vi、vref、A=∫0TsvDdt。vi（t）波形图的阴影面积即为积分A。设输入电压vi（t）波形为正弦波和直流的叠加，图4.15（a）的给定电压vref=Vref为常数，图4.15（b）中的给定电压vref为一个阶跃函数。

积分器输出A（t）上升，当其峰值等于vref时，S1关断，同时S2闭合，积分器立刻复位回零，为下一周期的积分准备。可见，A的峰值能较好地跟踪给定电压vref。A的斜率dA/dt与输入电压vi成正比，输入电压上升，A的斜率更陡，则A将更快达到vref，结果d减小；反之输入电压vi下降，d将增大。

占空比d由下式决定：

d=f（vi，vref）是非线性函数，并受vref调制。

当前开关周期的占空比d与前一周期的状态无关，每一周期的VD波形虽然不同，但开关变量平均值VD的瞬态过程可在一个周期内结束。

推广到一般情况，单周控制理论可简述如下。

设一个开关变换器的主开关管以开关频率fs=1/Ts按开关函数k（t）运行，即

d由给定电压vref调制。主开关输入端的信号x（t）经斩波，得到开关变量y（t），其频率、脉宽均与k（t）相同，而y（t）的包络线则与信号x（t）相同，即y（t）=k（t）x（t）。

例如，式（4.3）中的vi（t）即x（t），vD（t）即y（t），主开关输出端的有效信号即为开关变量平均值

每一个周期，若占空比d（t）被vref（t）调制，导致

即开关变量平均值严格等于每个周期的给定电压vref（t）。开关变量平均值在一个周期内得到实时控制，因此命名这种控制为单周控制。

单周控制的关键元件是积分电容。主开关导通时，反馈控制积分器开始积分，y（t）积分值与vref（t）实时比较，当A（t）=vref（t）时，控制器发出命令，改变主开关运行状态，同时积分器复位到零。在该周期内，占空比d由式（4.6）决定。单周控制是一种单环非线性控制，动态响应快，鲁棒性好，与电流型控制相比，它能更好地抑制输入电压扰动。单周控制已成功地应用于单端开关变换器、开关功率放大器、单相Boost及三相有源功率因数校正电路等。单周控制不仅可用于PWM变换器，也可用于谐振变换器、软开关变换器、逆变器和开关整流器等。

3.磁调节器控制

由于高频磁性材料，如非晶态软磁合金、超微晶软磁合金等的发展，使有可能在多路输出的高频开关电源中（开关频率＞100kHz）用可控饱和电感作为其中非主要的一路输出的电压调节元件，主要输出仍用电压型PWM控制，称为后置调节器（post-regulator）。图4.16给出了正激开关电源5V输出磁调节器系统原理图，图中主要输出12V用电压型PWM控制，非主要输出SV由磁元件调节。调节所用的磁元件为可控饱和电抗器，故这种调节器习惯上被称为磁放大（magamp）调节器，但实际上并不是按磁放大器原理工作的，因此称为磁调节器（mag regulator）较合适。其优点是：电路简单、EMI小、可靠、高效，可较精确地调节输出电压，特别适合应用于输出电流为1安到几十安的开关电源。

4.其他控制

开关电源还有一种非线性控制，即滑模控制（slide-mode control），但应用较少。