选择哪一种呢？——三种电源控制拓扑的优劣

作者：Christopher James，TI公司

每一位电源工程师都熟知并学习过电压模式和电流模式控制这些传统的控制拓扑，但却不太了解基于迟滞的拓扑及其优势。虽然纯迟滞控制对于诸如医疗或工业自动化等特定应用可能并不实用，然而许多比较新的电源拓扑都是基于迟滞的，并且拥有旨在克服纯迟滞控制的缺陷的额外特性。此类拓扑被运用于从处理器内核供电到汽车系统等广泛领域。

几乎所有的电源均是专为提供一个稳定的输出电压或电流而设计的。提供这种输出调节功能需要一个闭环系统和即将被调节的输出电压或电流的反馈。尽管有很多种用于对可用反馈环路进行补偿的不同控制拓扑，但它们通常都可以被归为两类：脉宽调制 (PWM) 或迟滞。在这两种基本拓扑的基础上演变出了第三种拓扑，其为此二者的融合：基于迟滞的拓扑。针对不同的应用，这些控制拓扑各有优缺点。

电压模式控制

脉宽调制(PWM) 控制被归为两种基本类型：电压模式和电流模式。为简单起见，本文只讨论采用输入电压前馈的电压模式控制。有关电压模式与电流模式更为详细的比较，图1示出了降压转换器中电压模式控制的基本方框图。


图1：电压模式控制包括了误差放大器、时钟和内部基准电压 (VREF)

当采用电压模式控制来调节输出电压时，它通过一个连接至其反馈 (FB) 输入的阻性分压器来检测输出电压的缩小版。具有高增益的误差放大器随后将该FB信号与一个高准确度内部基准电压进行比较。围绕误差放大器的环路补偿电路负责保持系统的稳定。

电压模式控制拥有诸多的优势。通过仅调节输出电压和其他良好受控的内部信号（比如：时钟和内部基准电压），该拓扑具备非常强的抗噪声能力。而且它还相当地简单明了。利用输入电压前馈保持了简单性，以在不断变化的输入电压条件下维持恒定的环路增益。此外，输入电压前馈还可大幅改善针对线路电压瞬变的响应。最后，时钟实现了开关频率的控制，包括使电路同步至一个外部时钟源的可能性。

电压模式控制的主要劣势是必需的环路补偿及对应的环路带宽限制。就其本质而言，电压模式控制在功率级中引入了一个双极点，该双极点位于输出滤波器的转折频率，因而需要在误差放大器的周围布设两个正确定位的零点。由于该双极点的频率通常很低，因而环路带宽被限制在较低的水平。一般情况下，其被限制为不超过开关频率的1/10。这对电源的瞬态响应产生了显著的负面影响。因此，设计人员必须通过增加输出电容来获得更好的瞬态结果，从而导致系统成本升高。

考虑到以上的利弊权衡，电压模式控制仍然是颇具价值的，尤其在那些对噪声敏感的应用中。电压模式控制的高噪声耐受性及其可同步至一个系统时钟的能力使其很适合于对噪声最为敏感的应用，例如：医疗和仪表设备等。

迟滞控制

纯粹和基本形式的迟滞控制是极其简单的，所有控制拓扑中最简单的一种（图2）。在其端子之间具有某些小迟滞的比较器通过FB输入将输出电压直接与高准确度的内部基准电压 VREF 进行比较。


图2：简单的迟滞控制拓扑只需一个比较器和内部VREF

这种直接控制输出电压的优势在于控制环路的速度。当输出电压由于瞬变的原因而发生变化时，控制环路开始做出反应所需的时间仅受限于比较器和栅极驱动器中的传播延迟。误差信号不必穿过低带宽误差放大器。因此，迟滞拓扑是速度最快的控制拓扑。

此外，其工作原理的简单性还使其能在无需任何环路补偿的情况下保持固有的稳定性。而且这种简单性也使之成为一种低成本的拓扑。在电源中没有需要设计、构建和测试的振荡器或误差放大器。控制开关动作仅需一个基本的比较器即可。

迟滞拓扑的主要缺陷是其开关频率变化。没有负责设定开关频率的时钟或同步信号。取而代之的是，开关频率由迟滞量以及外部组件和工作条件来设定。

当采用纯迟滞转换器时，预计在输入电压和负载范围内将发生很大的频率变化。而且，如果不采用一个高增益误差放大器的话，所实现的输出电压的DC设定点有可能不如采用电压模式控制时那么精准。最后，迟滞控制需要利用输出电容器中的等效串联电阻 (ESR)。因此，当运用纯迟滞拓扑时，一般不能使用ESR极小的陶瓷输出电容器。

但是，在某些低功率、非常低成本的应用中（比如：玩具），由于此类终端设备的价位非常之低，而且其低功率在迟滞电源的宽开关频率范围内产生的电磁干扰 (EMI) 水平很低，因此迟滞转换器也许是可以接受的。另外，具有非常严酷之瞬变的系统需要采用迟滞或基于迟滞的拓扑来维持可接受的输出电压调节。假如这些系统的输入电压、输出电压和其他工作条件处于良好受控的状态，则开关频率被保持在一个可接受的范围之内。这使得迟滞控制成为那些依靠一个固定输入电压运作并产生一个固定输出电压的应用的有效选择。