電壓模式和電流模式是開關(guān)電源系統(tǒng)中常用的兩種控制類型。在開關(guān)電源系統(tǒng)中，當(dāng)輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化以及電源內(nèi)部的參數(shù)變化時，控制電路將檢測被控制的電壓及電流信號，將它們與基準(zhǔn)信號進行比較，然后將差值放大，進行閉環(huán)反饋控制，以調(diào)節(jié)主電路功率器件的導(dǎo)通脈沖寬度或開關(guān)頻率，從而保證系統(tǒng)的輸出電壓或輸出電流等被調(diào)節(jié)信號的穩(wěn)定。

開關(guān)電源有PFM和PWM兩種控制方式：PFM工作在變頻方式，通過調(diào)節(jié)工作頻率保持輸出電壓或輸出電流的恒定。PWM工作在固定頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度，即占空比，保持輸出電壓或輸出電流的恒定。電源系統(tǒng)中，電壓的取樣信號有輸入電壓和輸出電壓，而電流的取樣有功率電感的直流壓降、電流取樣電阻電壓和和功率MOSFET的導(dǎo)通壓降等，由這些信號可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流或恒功率的控制，同時可以實現(xiàn)過壓欠壓保護、過流保護、均流、輸出電壓排序跟蹤等附帶的功能。

1 通用電壓模式的工作原理及特點

控制環(huán)僅有一個的電壓反饋環(huán)，電壓反饋環(huán)包括電壓誤差放大器、反饋分壓電阻器和反饋補償網(wǎng)絡(luò)。電壓誤差放大器的同相端連接到參考電壓Vref，反饋分壓電阻器連接到電壓誤差放大器的反相端FB，反饋補償網(wǎng)絡(luò)連接到反相端FB和電壓誤差放大器的輸出端COMP，輸出端COMP的電壓為Vc。電壓誤差放大器的輸出連接到PWM比較器的同相端，PWM比較器的反相端輸入信號為斜波發(fā)生器輸出的連續(xù)鋸齒波，由時鐘同步信號產(chǎn)生。

 1.1 電壓模式工作過程

電壓模式的工作過程有二個階段：

(1)時鐘振蕩器輸出脈沖信號為高電平，高端的開關(guān)管導(dǎo)通，開始一個開關(guān)周期，電感所加的電壓為正，電感激磁，電流線性上升。由于鋸齒波的電壓低于Vc的電壓，PWM比較器輸出低電壓。

(2)當(dāng)鋸齒波的電壓增加到高于Vc的電壓時，PWM比較器輸出翻轉(zhuǎn)，高端的開關(guān)管關(guān)斷，低端的同步MOSFET或續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感所加的電壓為負(fù)，電感去磁，電流線性下降。直到下一個開關(guān)周期開始的時鐘同步信號到來，如此反復(fù)。

1.2 調(diào)節(jié)工作原理

電壓模式調(diào)節(jié)原理如下：

(1)當(dāng)輸出負(fù)載增大時，輸出電壓降低，Vc增大，鋸齒波的電壓只有增加到更高的值才能夠和Vc相等，從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn)，因此，開關(guān)管導(dǎo)通的時間增長，占空比增加，輸入功率增加，因此輸出電壓增加，當(dāng)輸出電壓增加到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)保持平衡。

(2)當(dāng)輸出負(fù)載降低時，輸出電壓升高，Vc降低，鋸齒波的電壓在較低的值就可以等于Vc值，從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn)，因此，開關(guān)管導(dǎo)通的時間縮短，占空比降低，輸入功率降低，因此輸出電壓降低，當(dāng)輸出電壓降低到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)保持平衡。

電壓誤差放大器的作用是檢測緩慢變化的輸出直流電壓信號的微小變化，輸入到FB管腳，F(xiàn)B管腳的電壓V-與參考電壓Vref的差值被電壓誤差放大器放大輸出，輸出Vc為具有一定幅值的比較干凈的直流低頻反饋控制信號，開關(guān)電源輸出附帶的較寬頻帶的高頻開關(guān)噪聲信號被濾除，從而保證輸出穩(wěn)態(tài)時的穩(wěn)壓精度。

高頻開關(guān)噪聲的頻率較高，幅值較大，如果高頻開關(guān)噪聲衰減不夠的話，系統(tǒng)容易受到干擾，不能穩(wěn)定工作;但是高頻開關(guān)噪聲衰減過大的話，系統(tǒng)的帶寬窄，動態(tài)響應(yīng)較慢，因此要做一些折衷的設(shè)計，要保持電壓誤差放大器的低頻增益高，高頻增益低，可以通過對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行補償，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

1.3 外加限流保護

從電壓模式工作原理可以看到，系統(tǒng)沒有內(nèi)置的限流功能保護電路，同時，對于輸入和輸出的瞬變變化，系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。當(dāng)輸入電壓突然變低或負(fù)載阻抗突然變低時，因為主電路有較大的輸出電容和電感，電容與電感產(chǎn)生相移延時作用，輸出電壓的變低也延時滯后，輸出電壓變低的信號還要經(jīng)過電壓誤差放大器的補償電路的延時滯后，才能傳到PWM比較器，將脈寬變寬，這兩個延時滯后作用是暫態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須外加限流保護電路，注意到限流保護電路只起限流的作用，并不參與系統(tǒng)的內(nèi)部的反饋調(diào)節(jié)。

1.4 電壓模式優(yōu)缺點

電壓模式的優(yōu)點：

(1)由于電流信號不參與反饋，系統(tǒng)不會受到電流噪聲的干擾。

(2)PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時具有較好的抗噪聲性能。

(3)占空比調(diào)節(jié)不受限制。

(4)對于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)性能較好。

(5)單一電壓閉環(huán)反饋設(shè)計，調(diào)試比較容易。

(6)對輸出負(fù)載的變化有較快的響應(yīng)。

(7)低的輸出阻抗。

電壓模式的缺點：

(1)單反饋環(huán)控制系統(tǒng)，輸出LC濾波器在控制環(huán)中產(chǎn)生雙極點，動態(tài)響應(yīng)慢，需要增加一個零點對主極點進行補償，因此反饋補償設(shè)計比較復(fù)雜，需要更多額外的器件仔細設(shè)計補償環(huán)路，來優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

環(huán)路增益是輸出電容ESR的函數(shù)，輸出電容影響反饋環(huán)，需要電解電容或鉭電容穩(wěn)定控制回路以維持良好的高頻響應(yīng);在相同均方根工作電流的需求下，相同電容值的電解電容或鉭電容比陶瓷電容的體積更大，同時輸出電壓的波動也更大。

環(huán)路的增益是輸入電壓的函數(shù),對輸入電壓的變化動態(tài)響應(yīng)較慢，需要輸入電壓前饋。

電壓模式的反饋設(shè)計通常選取穿越頻率為1/5-1/10的開關(guān)頻率，環(huán)路補償采用III類補償網(wǎng)絡(luò)：3個極點和2個零點，2個零點安排在LC諧振雙極點附近，以抵消雙極點產(chǎn)生的相位延遲;低頻積分電路用以提高低頻的直流增益，2個高頻極點以產(chǎn)生高頻噪聲衰減，保證在0dB穿越頻率以上環(huán)路增益保持下降。

(2)用于限流控制的電流檢測緩慢不準(zhǔn)確。

(3)如果多個電源和多個相位并聯(lián)操作,需要外部電路進行均流控制。

1.5 電壓模式動特性改善

改善電壓模式控制瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法有二種：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，但是這樣容易受到高頻開關(guān)噪聲干擾，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技術(shù)，用輸入電壓對電阻電容充電產(chǎn)生的具有可變化上升斜坡的三角波，取代傳統(tǒng)電壓模式PWM控制器中振蕩器產(chǎn)生的固定三角波。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(tài)響應(yīng)速度明顯提高。對輸入電壓的前饋控制是開環(huán)控制，而對輸出電壓的控制是閉環(huán)控制，目的是增加對輸入電壓變化的動態(tài)響應(yīng)速度，這樣就構(gòu)成了一個開環(huán)和一個閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。

2 滯回電壓模式的工作原理及特點

滯回電壓控制模式一種最簡單的控制方法，控制環(huán)包括兩個部分：分壓電阻器和滯回比較器。分壓電阻器用于檢測輸出紋波電壓，滯回比較器用于控制功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷。主功率回路工作在自由振蕩方式，電路調(diào)節(jié)輸出電壓并保持輸出電壓在參考電壓和比較器所設(shè)定的滯回窗口電壓范圍內(nèi)。

滯回電壓模式工作過程如下：

(1)當(dāng)輸出電壓降低時，比較器的反相端的電壓也降低，當(dāng)反相端低于Vref-dV/2時，比較器輸出高電平，開關(guān)管導(dǎo)通，輸出電壓增加。

(2)當(dāng)輸出電壓繼續(xù)增加，使比較器的反相端高于Vref+dV/2時，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷。如此反復(fù)。

滯洄電壓模式的優(yōu)點：

(1)滯回電壓模式?jīng)]有反饋環(huán)，因此不需要補償設(shè)計，延時通常和補償網(wǎng)絡(luò)中的電容相關(guān)，滯回電壓模式?jīng)]有補償網(wǎng)絡(luò)，所以，誤差信號也就沒有補償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的延時，也不會產(chǎn)生補償網(wǎng)絡(luò)中電容充放電形成的不正常的電壓所帶來的不利影響。

(2)響應(yīng)快。滯回電壓模式能夠在當(dāng)前的周期非?？斓捻憫?yīng)負(fù)載電流的瞬態(tài)變化，響應(yīng)的時間只取決于滯洄比較器的驅(qū)動電路的延時。

(3)最簡單的一種控制方法。

滯洄電壓模式的缺點：

(1)工作在變頻工作方式，頻率變化范圍寬時，不利于電感的優(yōu)化設(shè)計。

(2)開頭頻率依賴于輸出的濾波器、輸入電壓和輸出電壓、滯回窗口電壓和內(nèi)部的延時。