PWM開關電源及技術改進

薛 鋒

鎮江高等?？茖W校電子與信息，江蘇 鎮江 212003

隨著電力電子技術與集成電路技術的高速發展，電力電子設備的體積不斷減小， 為與之相適應，要求SMPS的體積與重量應相應減小，而提高開關頻率并保持較高的效率就是主要的途徑。為達到這一目標，開關電源中普遍采用軟開關技術，如移相全橋電路。移相全橋電路是目前應用最廣泛的軟開關電路之一，它的特點是電路簡單，同硬開關全橋電路相比，并沒有增加輔助開關等元件，而是僅僅增加了一個諧振電感，就使電路中四個開關器件都能在零電壓條件下開通。這就達到了提高開關頻率并保持較高效率的目的。為達到更好的控制要求，采用電流模式PWM結構。

1 PWM開關電源工作原理

基于PWM技術的SMPS主要電路是由輸入干擾濾波器、整流濾波電路、高頻逆變電路、變壓器、高頻整流電路、輸出整流濾波電路、PWM控制器電路以及相應的輔助保護電路等構成。

PWM開關電源的基本工作原理就是在輸入電壓變化、內部參數變化、外接負載變化時，控制電路通過被控制信號與基準信號的差值進行閉環反饋，調節主電路開關器件的導通脈沖寬度，使得開關電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩定。PWM的開關頻率一般為恒定，控制取樣信號有：輸入電壓、輸出電流 、開關器件峰值電流等。這些信號可構成單環、雙環或多環反饋系統 ，實現穩壓、穩流及恒定功率的目的，同時還可實現過流保護、均流等功能。

2 PWM開關電源的優點及存在問題

PWM開關電源最顯著的優點就是效率高。因功率器件工作在開關狀態，功耗小，故其可直接對市電進行整流濾波，之后通過功率開關管調整，不需工頻變壓器，但功率開關管開關頻率高，所用變壓器為高頻變壓器。功率相同的前提下，高頻變壓器比工頻變壓器要輕小很多，所需的散熱器件也小。此外功率開關管開關頻高，所需的電感電容數值較小。

圖1 傳統電流模PWM 控制的升壓型開關電源結構

同時它還是一個很強的干擾源。干擾主要來自開關器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復。電磁干擾信號通過空間輻射和電源線的傳導而干擾鄰近的敏感設備。功率開關管的快速通斷給開關電源帶來高效益的同時，也帶來了更強的高頻輻射。

如上所述，目前絕大多數的SMPS電路中應用的是控制相對穩定的電流模PWM結構。由圖1可看出，輸出電壓經電阻分壓器分壓的反饋電壓與基準電壓差值經誤差放大器放大后，產生電壓控制脈寬，此電壓輸入到PWM比較器的反相端，斜坡補償信號與電感電流采樣信號疊加后所產生的電壓信號接至PWM比較器的同相端，比較后的輸入信號經過觸發器輸出以控制Boost型開關穩壓器的占空比，從而達到控制輸出電壓的目的。電流?？刂齐娐分杏须妷悍答伃h路和電流反饋環路，由于引入反饋，對輸出電壓有前饋調節作用，提高了系統的動態響應速度。電流內環還使開關穩壓器易于實現并聯運行，有利于實現變換器的模塊設計。

電流模PWM控制器有環路穩定性好，暫態閉環響應較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態響應均快，簡單自動的磁通平衡功能，自動均流并聯功能等優點。但也有不可避免的缺點：閉環響應不如平均電流模式控制理想，占空比大于50%的開環不穩定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差等。雖然在邏輯上變化一致，但峰值電流與平均電流的大小不能對應，會產生亞諧波震蕩。對這種情況，在占空比大于50%時，一般采用斜坡補償的方法來克服此缺點。但實際中，由于輸出級電感和電容的存在，當開關穩壓器的負載發生變化時，誤差放大器必須調整自己的補償以使系統達到穩定。但實際電路中大都采用集成控制器件，不可能根據負載的變化及時對誤差放大器作出調整，而且系統的自適應能力差，傳統機構過于復雜使其使用受到一定的限制。

3 PWM開關電源技術優化

圖2 新的電流模PWM 控制的升壓型開關電源結構

針對高頻輻射問題，要降低輻射干擾，可應用電壓緩沖電路。電感在功率開關管導通時能避免集電極電流突然增大，同時也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。傳統PWM控制自適應能力差的缺陷，對電流模PWM比較器進行了相應的改進，改進后的電路如圖2。此結構把誤差放大、峰值電流檢測和斜坡補償這三個環節和為一個求和比較器來實現，從而使穩壓器轉換結構變得簡單，該系統減少了誤差放大器這個串聯環節，避免了信號在經過誤差放大器時產生的時延和誤差，提高了速度和精度，并且使控制結構簡化，成品率和可靠性也得到提高，成本降低。

三對差分對的輸入分別是：檢測電感電流大小的電壓采樣信號與基準電壓信號，斜坡補償信號對，反饋信號與基準電壓信號。如圖2，在內部時鐘上升沿到來時，打開開關管，此時有電流流過電感，電感電流線性上升，一旦電壓采樣信號、斜坡補償信號和反饋信號觸發求和比較器放生反轉就關斷開關管，電感開始續流，給輸出電容和負載提供電流。

以此，簡化了傳統電流模PWM控制電路的復雜結構，將誤差放大器和PWM比較器歸結為一個求和比較器來實現對電流模開關穩壓器的自適應控制，省略了誤差放大器，提高了輸出電壓信號的速度和精度，同時也改善了其自適應性。

4 結論

本文在對PWM開關電源結構原理進行闡述之后，重點對電流模PWM控制電路的優點及不足作出分析，并進行了相應的技術改進方案。簡化了傳統PWM控制電路的結構，把誤差放大、峰值電流檢測和斜坡補償和為一個求和比較器以實現對電流模開關穩壓器的自適應控制，提高了輸出電壓的速度和精度。而且改進后電路結構簡單，使芯片面積減小，同時提高了成品率。具有廣泛的應用前景。

[1]曾芳.電力電子技術[M].人民郵電出版社，2010.

[2]王兆安，張明勛.電力電子設備設計和應用手冊[M].機械工業出版社，2002.

[3]陳盧，戴鐵軍.高效率高精度開關電源脈寬調制芯片的實現[J].清華大學學報，1999.