开关电源的控制技术（开关电源用什么控制算法）

改进基本控制方法以满足更高级的要求

虽然上述控制拓扑可用于多种系统功率要求，但存在一些实际应用限制，因此需要开发更多创新解决方案。更重要的驱动因素之一是当今快速发展的数字世界。随着数字处理控制器速度、计算能力和功能的提高，对这些系统的电源提出了额外的要求。为了满足对低电压、大电流电源日益增长的需求，一些未使用的功能通常会被关闭或禁用，以减少内部功耗，并在需要时重新打开。这通常称为电源的动态负载要求。电源必须能够响应电流的大而快速的变化，同时保持电压调节精度。

通常，简单的降压开关稳压器可输出高达20A 的负载电流。但除此之外，往往会采用多个电源并联的方式来实现更大的电流输出。单个电源的电感较小，因此对负载的响应较小。更快速。这导致了另一种称为多相（降压）转换器的控制算法的开发。在最简单的形式中，多个并联转换器的开关与主时钟同步，但它们之间存在360/n 度的相移，其中n 是转换器的数量。例如，为了实现100A的输出负载电流，我们设计了五个转换器，每个转换器的输出能力为20A。仅此一步就可以使用更小的组件进行设计，并在更大的区域上散热。

然而，我们也可以设置时序，使每个转换器的开启之间存在360/5 度的相位差。现在，我们将看到在一个占空比内电流有五次增量增加或减少，并且每个转换器仅需要转换总电流的1/5。上图中给出了单相与多相的比较，其中“n”是相数，在本例中为三相。

随着相数(n) 的增加，多相结构还可以减少输入和输出电容器上的应力。由于降压拓扑具有“斩波”输入特性（如普通降压），因此在输入电容器中会出现较高水平的交流均方根电流，但该电流还取决于操作的占空比。当空气比为0或100%时，没有交流有效值电流。但在任何其他情况（其他占空比）下，50% 占空比都会达到最大值，即峰值电流的1/2。下图中，输出处的电容应力也得到了缓解，因为它流过电感电流的交流分量。当一相电流上升时，所有其他相电流下降，从而抵消它。由于输入和输出电容器中的峰值电流降低，EMI 噪声滤波问题也大大减少。

一种实用的谐振模式控制算法

有一种特殊的开关拓扑：LLC谐振半桥控制器。我们已经知道，通过增加一定的开关导通延迟时间，可以利用谐振来降低开关损耗。并且长期以来人们认为，如果能够在开关电源单元中引入全谐振电路，就可以将方波转换为正弦波（当然，这是近似转换），从而实现更高的效率并降低噪声。理论上已经提出了许多拓扑，但很少有实用的。作为背景知识，谐振一般在方波电压源和负载之间引入谐振储能电路，利用频率改变谐振阻抗来实现输出功率的传输。最简单的电路形式是串联谐振电路（SRC）和并联谐振电路（PRC），如下图所示。

然而，这两种方法都有明显的缺点。尽管串联谐振电路具有恒定的谐振点，但控制算法会导致频率随着负载的减少而增加，从而牺牲了大部分所需的效率增益。并联谐振电路的缺点是谐振点随负载变化，存在大量环流，也会影响效率。为了解决这些问题，人们将它们组合在一起，从而得到了下图所示的新的混合拓扑。

串联谐振腔（Lr和Cr）与并联电路（Cr和L m）的组合，由于每个谐振单元的谐振频率略有不同，实际上形成了一个分压器，分压器是由频率的变化决定的。负载端的功率。这种拓扑的优点是两个电感器可以设计在同一个变压器中，并且可以通过相对较小的开关频率变化来实现精确控制。现实中的典型应用是基于方波发生器的半桥拓扑，如下图所示。开关采用50%占空比对上下管进行互补驱动（留有一定的小死区时间）。在串联电感的作用下，可以实现零电压开关（ZVS）。变压器除了作为谐振电感参与谐振外，还提供安全隔离和输出电压转换。等效电路中的R L'包括实际负载、次级绕组和输出整流器损耗，这些损耗通过变压器转换到初级侧。

当使用方波电压来激励谐振网络时，谐振网络将从电源汲取大的正弦电流。负载功率是输入频率的函数，第二电感Lm的存在使得峰值谐振点也是负载的函数。

上图左侧所示的方波等效电路可以用右侧的正弦波模型来近似。 VCE 是方波VSQ 的基波分量。同样，输出电压VOE 是VSO 的基本组成部分，现在可以使用单一频率的正弦电路进行分析。

正如您所看到的，由于这些变量的存在，当输入是方波时，该电路很难分析。然而，由于谐振时的大部分能量包含在一次谐波内，因此我们可以近似正弦信号的线性模型以进一步简化分析。这样就产生了一系列谐振曲线并获得了电路的传递函数，如下图所示。

该图绘制了作为工作频率函数的整体电路增益，以及由输出负载定义的曲线簇。横坐标是归一化工作频率，纵坐标是峰值增益。控制频率范围由图中面积决定，由最大输入电压范围和输出负载变化共同决定。输入和输出电压决定增益范围，最小和最大负载谐振曲线决定连接曲线的形状。

这种近似结果可以产生相对简单且高效的电路，该电路可以实现基于频率调制算法的输出的精确控制。

开关电源中的控制算法- 总结

开关电源中的控制算法到此结束。这里介绍的只是所有控制算法的一部分。有很多、很多、也许数百、甚至数千种新的控制方案可以在某些情况下改善电源的某些特性，但大多数都只停留在理论层面。然而，随着电源要求变得更加复杂，电源拓扑和控制方案的原始想法仍然存在。