单片开关电源工作模式的设定及反馈理论分析

摘要：首先介绍单片开关电源连续模式和不连续模式的设定方法，然后以TOPSwitch的基本反馈电路为例，对这两种工作模式的反馈理论作深入分析。
关键词：单片开关电源；连续模式；不连续模式；设定

单片开关电源有两种基本工作模式，一种是连续传输模式（简称连续模式）；另一种为不连续传输模式（简称不连续模式）。下面首先介绍两种工作模式的设定方法及功耗比较，然后阐述两种工作模式的反馈理论。

1单片开关电源两种工作模式的设定
1.1连续模式及不连续模式的特点
连续模式的特点是高频变压器在每个开关周期都是从非零的能量储存状态开始的。不连续模式的特点是储存在高频变压器中的能量在每个开关周期内都要完全释放掉。由图1所示开关电流波形上可以看出二者的区别。连续模式的开关电流先从一定幅度开始，沿斜坡上升到峰值，然后又迅速回零。此时，初级脉动电流（IR）与峰值电流（IP）的比例系数KRP1.0，即

不连续模式的开关电流则是从零开始上升到峰值，再迅速降到零。此时KRP=1.0，即
IP=IP（2）
1.2工作模式的设定
利用IR与IP的比例关系，亦即KRP的数值，可以定量地描述单片开关电源的工作模式。KRP的取值范围是0～1.0。若取IR=IP，即KRP=1.0，就将开关电源设定在不连续模式。当IRIP，即KRP1.0时，开关电源就被设定为连续模式。具体讲，这又分两种情况：
1）当0IRIP，即0KRP1.0时处于连续模式；
2）理想情况下，IR=0，KRP=0，表示处于绝对连续模式，或称作极端连续模式，此时初级电感量LP→∞，而初级开关电流呈矩形波。
实际上在连续模式与不连续模式之间并无严格界限，而是存在一个过渡过程。对于给定的交流输入电压范围，KRP值较小，就意味着更为连续的工作模式和相对较大的初级电感量，并且初级的IP和IRMS较小，此时可选用功率较小的TOPSwitch芯片和较大尺寸的高频变压器来实现优化设计。反之，KRP值较大，就表示连续程度较差，初级电感量较小，而IP与IRMS较大，此时须采用功率较大的TOPSwitch芯片，配尺寸较小的高频变压器。
综上所述，选择KRP值就能设定开关电源的工作模式。设定过程为：连续模式。对于85～265V宽范围输入或230V固定输入的交流电压，选择KRP=0.6～1.0比较合适。
1.3两种工作模式的功耗比较
下面给出两个设计实例，能够说明在宽范围输入时，KRP=1.0（不连续模式）、KRP=0.4（连续模式）所对应的IP与IRMS值的变化情况。由此可对两种工作模式下的TOPSwitch功率损耗加以比较。
1）不连续模式的设计实例
已知工作参数：KRP=1.0，UImin=90V，Dmax=0.6，PO=30W，电源效率η=80％。
初级峰值电流IP既可表示为IR和KRP的函数，又可表示为基本参数（PO、UImin、Dmax、η）和IR的函数。有关系式

把UImin=90V，Dmax=0.6，η=80％，PO=30W，KRP=1.0代入（5）式中计算出IP=1.39A。进而求出初级电流有效值

2）连续模式的设计实例
已知工作参数：KRP=0.4，UImin=90V，Dmax=0.4，PO=30W，η=80％。与上例的区别仅是KRP变成0.4，Dmax降至0.4，这就表示工作在更为连续的模式。同理可计算出IP′=0.87A，IRMS′=0.54A。
不难求出，连续模式的峰值电流仅为不连续模式峰值电流的63％，而有效值电流是不连续模式的87％。由此可见，对于给定的TOPSwitch芯片，两种工作模式下的功耗之比为

这表明在同样条件下，采用连续模式可比不连续模式减小24.3％的功耗。换言之，对于同样的输出功率，采用连续模式可使用功率较小的TOPSwitch芯片，或者允许TOPSwitch工作在较低的损耗下。此外，设计成连续模式时，初级电路中的交流成分要比不连续模式低，并能减小趋肤效应以及高频变压器的损耗。
2单片开关电源的反馈理论分析
下面以TOPSwitch的基本反馈电路为例，对不连续模式和连续模式的反馈理论作深入分析。需要说明，这里讲的反馈理论仅讨论初级绕组与输出电路之间的相互作用。这与由反馈绕组及其外围电路构成的控制电路是两个概念，后者专用来调节占空比的，因此下述讨论不涉及反馈绕组。
2.1基本反馈过程
TOPSwitch系列单片开关电源可视为单片组合器件，它将高压功率开关管(MOSFET)以及所需全部模拟与数字电路组合在一起，完成输出隔离、脉宽调制及多种保护功能。TOPSwitch的基本反馈电路如图2所示。对该电路稍加改动，即可实现单路或多路输出、升压或降压输出、正压或负压输出。
在TOPSwitch的基本反馈电路中，高频变压器具有能量储存、隔离输出和电压变换这三大功能。图中的NP、NS、NF分别代表初级绕组、次级绕组、反馈绕组以及各自的匝数。瞬态电压抑制器（TVS）和超快恢复二极管（SRD）构成了钳位保护电路，能吸收初级漏感所产生的尖峰电压。VD为输出整流管，C2是输出滤波电容，RL为负载电阻。UO为输出电压。图2中省略了交流输入及整流滤波电路。交流电经过整流桥和滤波电容，产生直流输入高压UI，当TOPSwitch导通时VD处于截止状态，而初级电流沿斜线上升。有公式