PWM开关电源及技术改进

薛 锋

镇江高等专科学校电子与信息，江苏 镇江 212003

随着电力电子技术与集成电路技术的高速发展，电力电子设备的体积不断减小， 为与之相适应，要求SMPS的体积与重量应相应减小，而提高开关频率并保持较高的效率就是主要的途径。为达到这一目标，开关电源中普遍采用软开关技术，如移相全桥电路。移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的特点是电路简单，同硬开关全桥电路相比，并没有增加辅助开关等元件，而是仅仅增加了一个谐振电感，就使电路中四个开关器件都能在零电压条件下开通。这就达到了提高开关频率并保持较高效率的目的。为达到更好的控制要求，采用电流模式PWM结构。

1 PWM开关电源工作原理

基于PWM技术的SMPS主要电路是由输入干扰滤波器、整流滤波电路、高频逆变电路、变压器、高频整流电路、输出整流滤波电路、PWM控制器电路以及相应的辅助保护电路等构成。

PWM开关电源的基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化时，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输入电压、输出电流 、开关器件峰值电流等。这些信号可构成单环、双环或多环反馈系统 ，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时还可实现过流保护、均流等功能。

2 PWM开关电源的优点及存在问题

PWM开关电源最显著的优点就是效率高。因功率器件工作在开关状态，功耗小，故其可直接对市电进行整流滤波，之后通过功率开关管调整，不需工频变压器，但功率开关管开关频率高，所用变压器为高频变压器。功率相同的前提下，高频变压器比工频变压器要轻小很多，所需的散热器件也小。此外功率开关管开关频高，所需的电感电容数值较小。

图1 传统电流模PWM 控制的升压型开关电源结构

同时它还是一个很强的干扰源。干扰主要来自开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复。电磁干扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。功率开关管的快速通断给开关电源带来高效益的同时，也带来了更强的高频辐射。

如上所述，目前绝大多数的SMPS电路中应用的是控制相对稳定的电流模PWM结构。由图1可看出，输出电压经电阻分压器分压的反馈电压与基准电压差值经误差放大器放大后，产生电压控制脉宽，此电压输入到PWM比较器的反相端，斜坡补偿信号与电感电流采样信号叠加后所产生的电压信号接至PWM比较器的同相端，比较后的输入信号经过触发器输出以控制Boost型开关稳压器的占空比，从而达到控制输出电压的目的。电流模控制电路中有电压反馈环路和电流反馈环路，由于引入反馈，对输出电压有前馈调节作用，提高了系统的动态响应速度。电流内环还使开关稳压器易于实现并联运行，有利于实现变换器的模块设计。

电流模PWM控制器有环路稳定性好，暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快，简单自动的磁通平衡功能，自动均流并联功能等优点。但也有不可避免的缺点：闭环响应不如平均电流模式控制理想，占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差等。虽然在逻辑上变化一致，但峰值电流与平均电流的大小不能对应，会产生亚谐波震荡。对这种情况，在占空比大于50%时，一般采用斜坡补偿的方法来克服此缺点。但实际中，由于输出级电感和电容的存在，当开关稳压器的负载发生变化时，误差放大器必须调整自己的补偿以使系统达到稳定。但实际电路中大都采用集成控制器件，不可能根据负载的变化及时对误差放大器作出调整，而且系统的自适应能力差，传统机构过于复杂使其使用受到一定的限制。

3 PWM开关电源技术优化

图2 新的电流模PWM 控制的升压型开关电源结构

针对高频辐射问题，要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路。电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大，同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。传统PWM控制自适应能力差的缺陷，对电流模PWM比较器进行了相应的改进，改进后的电路如图2。此结构把误差放大、峰值电流检测和斜坡补偿这三个环节和为一个求和比较器来实现，从而使稳压器转换结构变得简单，该系统减少了误差放大器这个串联环节，避免了信号在经过误差放大器时产生的时延和误差，提高了速度和精度，并且使控制结构简化，成品率和可靠性也得到提高，成本降低。

三对差分对的输入分别是：检测电感电流大小的电压采样信号与基准电压信号，斜坡补偿信号对，反馈信号与基准电压信号。如图2，在内部时钟上升沿到来时，打开开关管，此时有电流流过电感，电感电流线性上升，一旦电压采样信号、斜坡补偿信号和反馈信号触发求和比较器放生反转就关断开关管，电感开始续流，给输出电容和负载提供电流。

以此，简化了传统电流模PWM控制电路的复杂结构，将误差放大器和PWM比较器归结为一个求和比较器来实现对电流模开关稳压器的自适应控制，省略了误差放大器，提高了输出电压信号的速度和精度，同时也改善了其自适应性。

4 结论

本文在对PWM开关电源结构原理进行阐述之后，重点对电流模PWM控制电路的优点及不足作出分析，并进行了相应的技术改进方案。简化了传统PWM控制电路的结构，把误差放大、峰值电流检测和斜坡补偿和为一个求和比较器以实现对电流模开关稳压器的自适应控制，提高了输出电压的速度和精度。而且改进后电路结构简单，使芯片面积减小，同时提高了成品率。具有广泛的应用前景。

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