上一篇：AVR单片机硬件电路设计方法详解 —电路图天天读（107）开关电源由功率级和控制电路两部分组成，对于不同的功率级电路恰当的控制方法对其性能来说十分重要。采用不同的检测信号和不同的控制电路会得到不同的控制效果，此贴就是要探究某种功率级电路最理想的控制方法。 搬个板凳，学习一下

目前的开关电源无论是软开关还是硬开关多是依赖PID控制来达到控制目的，PID是一种通用的控制方法，如果开关电源本身控制特性（功率级传递函数）不佳，理想的 PID参数也很难提升其性能，相反一个好的开关电源控制技术甚至可以不需要PID控制的参与。

目前模拟电源的控制采用的是电压反馈或电流反馈实现的。电流控制的方式有平均电流控制和峰值电流控制，同时采用逐周期控制技术。电压反馈控制较常见，没有太多的深文大义。

通常电流控制采用双环路控制，电压控制采用单环路控制。至于说pid控制算法或者说pi算法，在单片机控制的电源中采用较多。

针对电源控制的话题，希望版主能开帖讲讲你的心得。电源环路的计算以及应用很能考验个人基本功。

谢谢支持！开关电源控制这个话题有点儿大，以探讨为主。

一般地讲，绝大多数开关变换器都是以PI（PIDPD）调节器配以补偿网络作为控制器的。那么为什么还要讨论控制器问题呢？我理解如下：

以PI为代表的控制方案是解决单变量线性非时变系统控制问题的成熟方案，然而，开关变换器特别是中大功率以谐振拓扑为代表的开关变换器是强非线性的多变量耦合的时变的大惯性系统，如果仍然使用PI类调节器作为控制器的话，在许多情况下会不稳定或失控，其实，工程一线的人都知道的，目前大功率变换器故障率很高并不是由于元器件或加工工艺因素造成。

因此，将现代控制理论、控制技术引入开关变换器作为控制方案已经是目前亟待迫切解决的问题，虽然其难度很大，但这也是个机会与挑战。比如同步解耦和镜像降阶、降维的电子化方案就比较有挑战性。

我想说的被您给说出来了，不过您说的更全面更专业。

不好意思，抢了您的风头.

只是遇到了知音，就喷薄而出了，，，，抒发情怀了

您是专业的，我是打酱油的

开关电源的控制方式主要有三种：（1）脉冲宽度调制PWM，（2）脉冲频率调制PFM，（3）脉冲宽度频率调制PWM-PFM。控制方法主要有电流控制、电压控制及功率控制等。不同的控制方法适用于不同的拓扑。

拓扑主要有三大基本类型，Boost电路、Buck电路及Buck-Boost电路。Boost电路适合作为输入级其输入电流连续输入小信号特性好环路容易补偿，应用场合如PFC电路、MPPT和能量反馈型电子负载等。Buck电路适合作为输出级其输出电流连续输出小信号特性好环路容易补偿，可做恒流、恒压、恒功输出。

在分析的过程中也准备制作一块实验板来进行验证，这块控制板包含电压控制模式、电流控制模式，可分别实现电流模式和电压模式的DC-DC、AC-DC、DC-AC控制。比如电压模式的DC-AC（SPWM）。

图1-1 电压模式的SPWM波形

电流模式的PFC

图1-2 电流模式PFC波形

开关电源从另一个角度看也是有源滤波器，下面通过仿真对比Buck电路采用不同控制方式后得到的滤波效果。

图1-3-1 低频噪声输入时两种控制方式的对比

Buck电路对于输出级来说等效一个电流源，所以如果能保证电感中的电流恒定则输出电压也恒定。假设给定一个随机的输入电压波形， PWM控制由于受固定周期限制电感电流被迫受扰动，由于电感的惯性特性响应慢（所谓病态系统）导致输出电压产生波动，采用电流控制的开关周期是不固定的可以保证电感电流不变不受扰动（开关周期内扰动），输入电压基本不会影响到输出电压天然的前馈控制。

对于高频输入噪声电压对比效果更明显

图1-3-2 高频输入噪声时两种控制方式对比

从仿真结果看Buck电路采用电流控制方式后几乎对输入噪声免疫。

采用电流控制方式的Buck电路应对负载突变时的动态特性也是非常好

图1-4 电流模式负载突变动态特性

如图1-4所示在单个周期内输出电压就达到了新的平衡，同样基本上不受输入电压的影响。（这里的开关控制非固定周期）

初步完成了原理图的设计，框图如下

图1-5-1 并网逆变原理框图

图中的虚线方框就是实现并网逆变的控制器，算上供电电源和地一共用了13个引脚。控制器的输出包括：PWM1、PWM2控制DC/DC变换器，Mcu_L、Mcu_R控制逆变桥换向。控制器的输入包括：Uink、Uok输入输出电压采样信号，Ufb反馈信号，I_test电流采样信号，Iref电流参考信号，L/R电网换向信号，1/2Vcc用来实现双电源供电效果。

这里用了一块单片机是做纯数字运算，端口都是I/O功能。这部分是可以用纯硬件电路实现的（仿真是用的纯硬件），用单片机为了实现更多的功能，这块控制电路目前可以实现对Boost拓扑、Buck拓扑、Buck-Boost拓扑的电流模式及电压模式控制，能实现Boost和Buck模式的无缝切换，除了能实现逆变外（包括并网逆变）还可以实现PFC功能（兼容断续、临界、连续模式）。实现上述功能的DC/DC电路用的是双MOS双二极管的Buck-Boost电路。

图1-5-2 DC/DC驱动电路

当电路工作于连续模式时可以去掉反馈电路而直接在Ufb引脚上加参考电压，这里的控制电路带前馈可以屏蔽输入波动（电压模式时输入的波动频率不能太高）。用电流模式时反馈电路接入Iref 脚。

图1-5-2 实验电路PCB图

上图左边电路为驱动电路可实现整流、逆变及DC/DC的验证，右边可看做是一颗14脚的控制IC。另外反馈环路用的是双环路并联，针对不同的工作模式可自动切换成不同环路，准备用实验板实测一下效果。

开关电源的核心是开关和电感，通过调整开关的占空比控制电感的储能（变化轨迹），用无功功率（无损）来实现升压或降压来替代线性电源中的有损降压以实现高效率。

图1-6-1 线性稳压与开关稳压对比

线性稳压电源和开关稳压电源的控制相类似都有电流控制模式和电压控制模式。

对开关电源的控制其实也是对电感的控制，比如前面仿真的Buck电路因为其电感电流恰好等于负载电流所以只要控制电感电流就能达到很好的稳压效果，这种方法换个叫法可称作非线性控制法。

对电感的控制也可分两大类，一类是硬开关另一类是软开关。硬开关中电流波形近似三角波梯形波，分析时可采用基于伏秒平衡或安秒平衡的图形法。软开关中的电流波形是正弦波或准正弦波分析时采用图形法并不是很容易，如果采用积分法是可行的（无论硬开关还是软开关分析时都跟面积有关）。另外如果将软开关中的控制对象换成电容而非电感则可以达到与积分法相同的效果。

从分析法亦可推出控制法，对于硬开关控制来说所有的奥秘都藏在伏秒平衡这个三角形中。

先从电压控制法开始，一般电压控制法如下（Buck电路）。

图1-6-2 电压控制模式

电压控制法只检测输出电压一个变量，只需一个控制环，所以设计和分析相对比较简单。由于锯齿波的幅值比较大，抗干扰能力强。主要缺点是输入或输出的变化只能输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因而响应速度比较慢。另外没有限流功能。

电压法控制的直接对象是占空比，如何得到精确的占空比？这里就可以运用伏秒平衡原理，其实开关电源在工作过程中多数情况下是动态变化的此时伏秒是不平衡，不过按伏秒平衡去控制最终会使电路趋于平衡。

以图1-6-2的Buck电路为例，根据伏秒平衡(Uin-Uo) *Ton=Uo*(1-Ton)推出占空比D=Uo/Uin。由此可知Buck电路的占空比可由输入电压和输出电压推算出来。

推算过程参考通常控制中所采用的锯齿波（三角波亦可），

图1-6-3 基于伏秒平衡的电压控制模式

图1-6-3同图1-6-2看起来很相似，区别在于图1-6-3中的锯齿波幅值为Uin（实际中Uo、Uin是同比例缩放的）这样就引入了电压前馈控制。其它资料中电压前馈的控制电路如下图

图1-6-4 资料中所采用的前馈方式

这里所采用的前馈电路略有不同结果更精准，电路如下

图1-6-5 带前馈电压控制模式电路

如图1-6-5 这种控制电路是很简洁的，其中VCCS为压控电流源，当电容上的电压“sanjiao”上升至Uin则启动Rest开关将电压复位到零，因为压控电流源的控制信号也是Uin所以就形成了一个幅值为Uin的等周期锯齿波。目标电压（参考电压Uref）同三角波的比形成PWM信号。下面的是这种控制方法的开环仿真波形

图1-6-6 带前馈电压模式仿真波形

如图所示锯齿波（sanjiao）的幅值是随着输入电压的变化而变化的，在一个固定的参考信号Uref和开环情况下就能得到稳定的输出，电压前馈很完美的融入到控制中。

如果把参考信号Uref设置为馒头波则可以实现电压模式的SPWM逆变

图1-6-7-1 电压模式SPWM波形

根据三角形的比例关系，无论是锯齿波还是等腰三角波都不会影响占空比，参考一般资料中的波形这里也把锯齿波换成等腰三角形，等腰三角形幅值依然是Uin。

一般的SPWM波中的三角波是固定的，如果输入的电压是波动的则会影响到输出波形（现在的应用一般都是通过反馈强行抑制波动）。采用前馈控制后开环也能得到比较理想的逆变波形，输入波动自动被前馈控制屏蔽。

图1-6-7-2 带前馈的SPWM仿真波形

图1-6-7 PCB板

PCB板已做好，元件还没有到齐。

下面的是以这种理论实现的PFC功能的实测波形结果

图2-1-1 PWM信号及PFC电流波形

图2-1-2 PWM信号及电流波形展开

上图实测结果同仿真结果基本上一致，可以实现理论为1的功率因数。这个功能的实现并不依赖反馈环路（目前为开环控制），一般依赖反馈控制的电路当轻载或者开关频率较低时波形都会变的惨不忍睹。