前述文章中我們有介紹，閉環(huán)控制的必要性及閉環(huán)控制穩(wěn)定性的分析，我們知道了需要閉環(huán)控制去維持輸出對負(fù)載變化或者輸入電壓變化的調(diào)整能力，另外還要考慮控制的快速性，穩(wěn)定性。那么，一般來說，具體是如何實現(xiàn)閉環(huán)控制呢？實現(xiàn)方式有哪些呢？由于實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，首先要采樣一個被控制量，而被控制量，一般分為電壓和電流兩種，因此，控制模式也分為電壓模式控制和電流模式控制。在本文中，我們來討論一下各種典型控制模式及其優(yōu)缺點。

一.電壓模式控制

電壓模式控制是歷史悠久的控制模式，它的誕生早于電流模式控制，典型控制框圖如圖1，所示。

圖1 電壓模式控制原理框圖

簡單介紹一下電壓模式控制的原理，電壓模式控制是一個定頻的控制模式，通過一個固定頻率的時鐘產(chǎn)生固定的開關(guān)頻率，同時有一個斜坡電壓和開關(guān)頻率同頻率用于產(chǎn)生控制信號的比較標(biāo)準(zhǔn)，在斜坡開始時輸出開關(guān)脈沖信號。

由于被控制量是輸出電壓，因此對輸出電壓進行采樣，期望的輸出電壓作為基準(zhǔn)，二者比較產(chǎn)生控制誤差，這個誤差信號就作為PWM比較器的輸入和斜波比較，斜波電壓超過誤差信號時，開關(guān)管關(guān)斷，這樣通過調(diào)整誤差放大器的輸出電壓，就可以調(diào)整占空比大小。

電壓控制模式有什么樣的優(yōu)點呢？

首先，它是一個定頻的控制，這是一個基本的特點。其次，控制回路中的信號都不是來自于功率電路，尤其是比較基準(zhǔn)斜坡信號，它是一個幅值比較大的穩(wěn)定信號，因此不容易受到噪聲信號的干擾。另外，它只有一個被控制量，輸出電壓，所以只要通過一個誤差放大補償網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)占空比的控制，相對來說電路比較簡單。并且其比較基準(zhǔn)斜坡，是一個固定頻率的穩(wěn)定的，大的且不受干擾的信號，所以占空比調(diào)制的抗噪聲能力很強。

但是，事物都是具有兩面性的，它的缺點也是存在的。由于只有一個被控制量，因此不管是輸入電壓還是輸出負(fù)載變化等這些典型的動作或者干擾，都需要輸出電壓產(chǎn)生變化后，經(jīng)過采樣比較放大后，才能被PWM調(diào)節(jié)器處理，去修補占空比，進而輸出濾波器電壓被調(diào)整，最后輸出電壓被調(diào)整回來，這個過程需要一定的時間，相對來說比較慢速，因此過流保護等需要額外的電路對過流做出快速的關(guān)斷。

最后，由于輸入電壓對環(huán)路增益的影響，所以需要采用前饋的方式去改善輸入電壓對增益的影響。

在電壓模式控制中人為加入輸入電壓前饋后，使斜坡信號和輸入電壓成正比，無需電壓控制環(huán)作用就可以改變糾正占空比，所以加了電壓前饋后的電壓模式控制對輸入電壓的響應(yīng)更快，且維持了整個電壓范圍內(nèi)固定的環(huán)路增益，這種措施彌補了電壓模式的部分缺點。

由于輸出低通LC濾波器形成雙極點，所以誤差放大補償網(wǎng)絡(luò)需要對兩個低頻雙極點進行處理，所以補償過程比較麻煩，需要補償網(wǎng)絡(luò)有180C的相位提升。隨著工藝的提高，可以將控制芯片的頻率設(shè)置的很高（不管是模擬控制還是數(shù)字控制），因此可以使用較小的輸出電感和輸出電容，以此得到較高的LC轉(zhuǎn)折頻率，以便提高環(huán)路的帶寬。

二.峰值電流模式控制

由于電壓模式控制有上述的一些缺點，電流模式控制在20世紀(jì)80年代誕生了。這種控制模式除了對輸出電壓控制之外，還引入了電感電流信號（或者開關(guān)電流），將它作為一個額外的被控制量，這個控制量包含在輸出電壓控制環(huán)內(nèi)，作為一個快速的控制環(huán)，這時，電流信號就得到了控制。雖然電路需要增加一些元件，比如采樣電流等，但是其帶來的好處還是很多的。

首先，由于引入了電流控制環(huán)，負(fù)載電流的任何變化，就直接在電流環(huán)響應(yīng)，控制環(huán)路比電壓模式響應(yīng)更快了。另外，有了電感電流信息，就可以很方便做逐周期的電流限制及過流保護，不需要額外增加過流保護電路或者逐周期限流電路。此外，這樣的控制電路就像一個電壓控制電流源，通過電壓外環(huán)得到電壓控制誤差量，它作為電流環(huán)的基準(zhǔn)，使得電流得到了直接控制，這種架構(gòu)允許多個電源通過一個電壓環(huán)去并聯(lián)，各自的電流環(huán)就可以得到很好的均流。

最后，在增加電流環(huán)后，由于電壓環(huán)對電感電流進行鉗位，所以電感的極點作用就被去除了，所以電路由電壓模式控制的二階LC濾波器環(huán)節(jié)變?yōu)橐浑ARC濾波環(huán)節(jié)，需要一個二型補償器就可以將它的特性補償好，而電壓模式控制需要三型補償器才可以，這無疑簡化了補償電路環(huán)節(jié)，更方便得到快速的環(huán)路帶寬。

電流模式控制，除了具有一系列優(yōu)點之外，它還有一些不足之處，如全范圍的穩(wěn)定性，及抗噪聲干擾性能等，我們接下來會再進一步討論。電流模式控制有多種形式的變形，如峰值電流模式控制，谷值電流模式控制，平均電流模式控制等。我們先討論一下電流模式控制的一種典型形式，即峰值電流模式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 峰值電流模式原理框圖

在峰值電流模式控制中，它直接將電感電流作為斜波信號，去和電壓環(huán)誤差輸出信號相比較，產(chǎn)生占空比下降沿，而上升沿是通過一個時基信號產(chǎn)生周期性的上升沿信號，并且通過RS觸發(fā)器鎖存導(dǎo)通狀態(tài)。而在電壓模式控制中，采樣的斜坡是固定的鋸齒波信號，它是芯片自己產(chǎn)生或者制作的一個斜坡信號。

一旦電流的峰值達到誤差電壓值，比較器就會動作，占空比的下降沿就產(chǎn)生了，所以對于電流的變化，這個響應(yīng)是直接的，而無需通過輸出電壓的變化被采樣到而后再通過控制環(huán)響應(yīng)，這使得電路的控制更快速，如圖3所示，本來在電壓模式控制中需要加的前饋電路，在峰值電流模式控制中，由于采樣電流斜坡和輸入電壓成正比，所以它天然就存在電壓前饋了，電壓的變化可以直接在電流環(huán)中得到響應(yīng)。

圖3 峰值電流模式的前饋作用

再聊一下電流采樣電路，為了得到更小的損耗，一般電路會采用很小的電阻串聯(lián)在開關(guān)上去得到采樣電流信號，這樣得到的電流采樣信號很小，雖然效率盡可能地提高了，但是由于小的電流信號來自于功率電路，很容易受到噪聲干擾，同時也會將噪聲引入控制電路，讓電路控制變得敏感，所以采用CT或者電流采樣運放，在中大功率電路產(chǎn)品中更為普遍。

在峰值電流模式中，不得不提一下其中一個典型的問題，那就是斜坡補償問題，當(dāng)占空比大于50%時，會產(chǎn)生次諧波振蕩，振蕩頻率為開關(guān)頻率的一半，使得每個開關(guān)周期的電流起點不同，但是外部看來的平均電流確是恒定的，如圖4所示。

圖4 占空比大于50%時的次諧波振蕩

由于這個不穩(wěn)定狀態(tài)的出現(xiàn)，所以在電流信號和電壓環(huán)誤差比較之前，需要在電流信號上加上人工斜坡，以避免這種次斜坡震蕩，如圖5所示。

圖5 斜波補償示意

峰值模式電流控制中，另外一個典型的現(xiàn)象是開關(guān)導(dǎo)通瞬間的脈沖尖峰，如圖6所示。由于變壓器寄生參數(shù)或者整流管反向恢復(fù)問題的影響，開關(guān)導(dǎo)通瞬間的電流尖峰會比較高，如果此時就進行電流和誤差電壓比較，則可能出現(xiàn)誤關(guān)斷，所以在控制上需要避開這段時間，這就是LEB時間（LeadingEdge Blank）。

圖6 開關(guān)導(dǎo)通電流尖峰示意（來自網(wǎng)絡(luò)）

具體實施方式上，可以在芯片外在采樣電流之后就加一級RC濾波電路，將前沿噪聲濾除，在前述文章中我們有介紹RC濾波電路的特性，請參考如下前述文章，

RC濾波電路的頻域及時域特性探討(qq.com)，

也可以在芯片內(nèi)部設(shè)置一定時間的LEB時間，在這段時間內(nèi)的尖峰噪聲在和比較器比較中并不起作用，因此，在控制環(huán)路上就出現(xiàn)一個最小導(dǎo)通脈沖的概念，所以，目標(biāo)電流在最小導(dǎo)通脈沖內(nèi)是無法進行控制響應(yīng)的。如圖7，是峰值電流模式控制芯片MCP16361的最小脈寬參數(shù)。

圖7 峰值電流模式控制的最小脈寬

另外一個值得一提的問題就是，由于電壓控制環(huán)強制控制電流環(huán)，所以在多輸路出應(yīng)用中，負(fù)載的交差調(diào)整率比較差，因此需要用耦合電感來實現(xiàn)多輸出應(yīng)用。

和峰值電流模式控制相對應(yīng)的，還有一種谷底電流模式控制，后續(xù)有機會再進行探討。

三.平均電流模式控制

前述討論了峰值電流模式控制中的典型的問題，次斜波震蕩，這是由于電路輸出端看到的是電路的平均電流，而控制環(huán)路中被控制的是峰值電流，由于峰值電流和平均電流是不匹配的。當(dāng)輸出電壓恒定時，有一種情況是平均電流是固定的，但是每一次開關(guān)導(dǎo)通時電流的起點不同，這種情況在普通的恒壓控制是問題不太大的，但是如果需要在類似于PFC電路中，需要全面線性的控制電流波形跟隨正弦電壓，此時需要對電流需要進行更精準(zhǔn)的控制，那就需要采用平均電流控制。

圖8 平均電流模式控制原理框圖

接下來，我們簡要介紹一下平均電流模式控制。類似于峰值電流模式控制，電壓外環(huán)還是一樣的，它作為電流環(huán)的基準(zhǔn)。由于需要采樣平均電流，電路采樣需要能采樣到整個周期的電流波形，如圖8所示，在電感電流回路的低邊去采樣。

采樣電流和誤差電壓輸出比較后，經(jīng)過補償和放大后產(chǎn)生電流環(huán)誤差信號，通過一個固定頻率的鋸齒波信號和電流環(huán)輸出誤差進行比較，得到占空比控制信號，所以，綜合來說，是基于平均電流的誤差信號和鋸齒波比較產(chǎn)生占空比，在這種架構(gòu)中，平均電流得到了直接和精確的控制。

在平均電流模式控制中，類似于電壓模式控制，存在固定頻率的鋸齒波信號和電流誤差去比較，所以不需要斜波補償，同時相對于峰值電流模式控制，更不容易受到噪聲的干擾，且同時也有更快的動態(tài)響應(yīng)。

四.滯環(huán)控制器

除了主流的電壓模式控制，和電流模式控制這些線性控制方式之外，還有一些非線性控制方式，如滯環(huán)控制器等。

滯環(huán)控制器是一種古老的控制方式，它的控制核心就是一個比較器，使輸出電壓的值和比較器參考電壓相比較，當(dāng)?shù)陀谧钚⒖茧妷簳r則打開開關(guān)管傳遞能量，當(dāng)高于滯環(huán)決定的最大參考電壓時關(guān)閉開關(guān)管停止傳遞能量，比較器的遲滯范圍就是參考電壓的閾值范圍。

這種簡單的控制方式好處是成本低，控制簡單，由于使用比較器作為控制核心，所以對負(fù)載的響應(yīng)很快。由于比較器控制電路是天然穩(wěn)定的，所以無需補償電路，節(jié)省電路器件。

但是它的缺點也很明顯，主要是由于開關(guān)頻率隨著負(fù)載和輸入電壓變化是變頻的，所以它無法用外部時鐘去同步，由于它的控制核心是比較器滯環(huán)比較，所以必須使得輸出電壓存在一定的紋波，由于控制電路中不包含電流保護，所以這部分電路需要另外設(shè)計。雖然這種控制方式有這些缺點，但是還是被改良出來一些變化的控制方式，以避免這些缺點，COT控制及自適應(yīng)COT控制就是其中典型的類型。

如圖9所示，即典型的COT控制示意圖。

圖9 COT控制的一般原理框圖

首先，COT控制電路需要一個固定導(dǎo)通時間產(chǎn)生單元，如圖9中左側(cè)部分，在右側(cè)的波形圖中可知，當(dāng)輸出電壓跌落至一個參考電壓點時，通過比較器的動作開始一個新的開關(guān)周期的固定導(dǎo)通時間，所以這種非線性控制改良了輸出比較基準(zhǔn)，只需要一個最低電壓輸出基準(zhǔn)即可。

當(dāng)負(fù)載變輕時，允許調(diào)整其關(guān)斷時間以維持高效率。由于可以變頻率調(diào)整關(guān)斷時間，因此，負(fù)載也響應(yīng)非?？?。

由于其關(guān)斷時間調(diào)整的特性，導(dǎo)通時間固定，因此還是一個變頻的控制方式，因此會帶來一些問題，如濾波器的設(shè)計等。

圖10 自適應(yīng)COT控制的原理框圖

在COT電路的基礎(chǔ)上又進化出來自適應(yīng)COT架構(gòu)，這種非線性控制方式的控制核心還是高速比較器，和COT控制的差異是它可以動態(tài)地根據(jù)輸入電壓和輸出電壓去調(diào)整導(dǎo)通時間，以維持開關(guān)周期的恒定，所以避免了一些應(yīng)用上COT變頻導(dǎo)致的問題。但是在瞬態(tài)工作時，其變頻的快速響應(yīng)的優(yōu)勢還是存在的，所以應(yīng)對負(fù)載快速瞬態(tài)時，電壓過沖或者跌落是很小的。

和恒定導(dǎo)通時間控制相對應(yīng)的，還有一種恒定關(guān)斷時間控制模式，由于篇幅所限，我們此處不進行探討。

總結(jié)，上述詳細(xì)分析了典型的控制模式，如電壓模式控制，峰值電流模式控制，平均電流模式控制等，也簡要分析了滯環(huán)控制及其變化的類型，COT控制及自適應(yīng)COT控制等。通過分析，可以對開關(guān)電源主要的控制模式及其優(yōu)缺點有一個基本的認(rèn)識，方便在設(shè)計中選擇合適的控制模式，揚長避短。