准固定频率滞环PWM电流模式控制方法的研究

摘要:本文针对现有PWM电流模式控制方法的固定开关频率与控制快速性之间的矛盾,提出了一种准固定频率滞环PWM电流模式控制方法,这种控制方法在适当放宽对开关频率的严格要求的条件下,使电流控制的快速性大大提高,同时保持很好的稳定性.本文对新的控制方法的基本原理进行了分析,并通过实验证实了其良好的快速性和稳定性。

关键词:电流模式控制滞环

Research on Quasi－ Constant Frequency Hysteresis PWM Current Mode Control

Abstract: A new hysteresis PWM current mode control method is presented in the paper to eliminate the conflict between the requirement of constant switching frequency and rapid control of the existing current mode control. By properly loosing the restriction of constant switching frequency, the dynamic performance of current mode control is greatly improved, while system still keeping good stability. The principle of the new method is analyzed, and experiments have been done to prove the good dynamic performance and stability of the new control method.

Keywords: Current mode control Hysteresis

1引言

随着对开关电源稳态和动态特性的要求日益提高,开关电源中的PWM控制方法也经历了长足的发展。早期的开关电源仅采用单一的输出电压闭环反馈控制,可以基本满足稳定性和电压控制精度的要求,但动态特性通常都不高。七十年代末期开始出现了电流模式控制方式(CurrentModeControl)[1－3]，其基本思想是在输出电压闭环控制系统中，增加了直接或间接的电流反馈控制，如图1。

电流模式控制的引入给开关电源的控制性能带来一次革命性的飞跃。总的来说，采用电流模式控制方式的系统有以下几个优点：

（1）系统的稳定性增强，稳定域扩大。

（2）系统动态特性改善。

这一点主要体现在对输入电压的扰动的抗扰能力的提高。输入直流电压中通常包含交流输入电压整流后的纹波，采用单独的电压环控制时，由于电压环的响应速度慢，低频的纹波很难消除，致使输出电压中包含输入电压低频纹波成分。而采用电流控制后，输出电压中由输入电压引入的低频纹波被完全消除。

（3）具有快速限制电流的能力。

由于有了电流控制，很容易对电路中的电流进行快速限幅，从而有效地降低了开关器件、变压器、电感等元器件受到的电流冲击，这对很容易因过流而损坏的高频开关器件十分有益。事实上，采用电流控制后，电源中可以不必再设置输出短路保护电路，当输出端发生短路时，电流控制电路使电源输出电压下降，自动限制输出电流值，电源不会损坏。

到目前为止，共出现了三种电流模式控制方法[2]：峰值电流模式控制（PeakCurrentModeControl）、平均电流模式控制（AverageCurrentModeControl）、电荷模式控制（ChargeModeControl）。这三种电流模式

准固定频率滞环PWM电流模式控制方法的研究

图3滞环PWM电流控制系统相轨迹

图4电感L两端电压uL和电流iL的波形

控制方法都属于固定频率PWM控制，而固定的开关频率同电流控制的快速性间存在矛盾，使得电流控制系统中出现分频振荡现象。

针对这一问题，本文提出了一种新的准固定频率滞环PWM电流控制，这种控制方式在适当放宽对开关频率的限制的条件下，可以大大提高电流控制的快速性，同时保持很好的稳定性。本文定性地分析了其稳定性和动态特性，并通过实验证实了这种控制方式的有效性和优越的动态性能。

2准固定频率滞环PWM电流控制方法

2．1问题的提出

在实际应用中对系统动态特性的要求不断提高，当电流调节器的设计使得电流环的截止频率较高，接近电路的开关频率时，开关环节的非线性带来的影响就会变得较为明显，这时最主要的问题就是在电路中出现分频振荡现象。不同电流模式控制方法虽然产生分频振荡的机理各不相同，但其根本原因是相同的，即对电流的快速控制同严格固定的开关频率间的矛盾。

在实际应用中，希望开关频率是固定的，这主要出于以下几个方面的考虑：

(1)开关频率固定有利于滤波电路的设计。当开关频率在一定范围变化时，滤波器需要按照频率下限设计，从而造成一定的浪费。

(2)开关频率固定有利于限制电路中的开关损耗。由于开关损耗同开关频率成正比，因此当开关频率升高时开关损耗也随之直线上升，假如电路工作时开关频率升得很高，有可能造成电路过热损坏。

(3)有利于降低电路发出的噪音。如果电路工作时开关频率下降到人耳的听觉范围内（15～20k