1 引言

開關電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源提供了廣闊的發(fā)展空間

開關電源體積小、重量輕、變換效率高， 因此廣泛應用于各種電子設備中。它體積小、重量輕、功率因數(shù)高，具有較高的工作效率，但結構過于復雜使它的應用受到一定的限制。下面就這個問題提出一個可行的解決方法。

2 開關電源電流PWM控制的基本原理

原理簡介

開關電源的工作過程相當容易理解，在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時，電壓低，電流大；關斷時，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。

與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現(xiàn)的。脈沖的占空比由開關電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

控制器的主要目的是保持輸出電壓穩(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設計成與線性調(diào)節(jié)器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動功率管之前要經(jīng)過一個電壓/脈沖寬度轉(zhuǎn)換單元。

開關電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過程相差很大，在特定的應用場合下各有優(yōu)點。

圖1給出了電流控制的PWM降壓變換器的基本組成。

圖1電流控制的PWM降壓變換器的基本組成

從該電路可以看出，反饋電路由兩部分組成：輸出電壓U0經(jīng)采樣電路（未畫出）得到反饋電壓Uf反饋到誤差放大器的反向端，基準電壓UR加至誤差放大器同向端，構成常規(guī)的電壓反饋，即電壓外環(huán)；由電阻RS上檢測得到的電流反饋信號US和誤差放大器的輸出Ue分別加至PWM比較器同向端和反向端，構成了電流內(nèi)環(huán)。PWM比較器輸出加至觸發(fā)器的R端，時鐘振蕩器從S端向鎖存器輸出一系列恒定頻率的時鐘信號。當功率管導通時，隨著電流的增大電流檢測信號US也同時增大，直到同Ue電壓相等時PWM比較器輸出高電平，使鎖存器輸出轉(zhuǎn)為低電平，功率管關斷。時鐘振蕩器輸出的穩(wěn)定時鐘信號通過鎖存器控制著三極管的通斷。由此可以看出，由于引入了電流反饋，對輸出電壓有前饋調(diào)節(jié)作用，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應，由于電感電流直接跟隨誤差電壓的變化，輸出電壓就可以很容易的得到控制。電流內(nèi)環(huán)還使開關電源變換器易于實現(xiàn)并聯(lián)運行，有利于實現(xiàn)變換器的模塊設計。

電流控制PWM技術有很多優(yōu)點，如電壓調(diào)整率好；回路穩(wěn)定性好，負載響應快；功耗??；有較好的并聯(lián)能力等等，但同時它的缺點也是不能忽視的：占空比大于50%時系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性，可能會產(chǎn)生次諧波振蕩；在電路拓撲結構選擇上也有局限，在升壓型和降壓-升壓型電路中，由于儲能電感不在輸出端，存在峰值電流與平均電流的誤差。針對這種情況，當占空比大于50%時，一般是采用諧波補償?shù)姆椒▉砜朔秉c。但在實際應用中，由于輸出級的電感L和電容C的存在，當開關電源的負載發(fā)生變化時，誤差放大器必須調(diào)整自己的補償以使自己達到穩(wěn)定，但實際電路中大都采用集成PWM控制器件，不可能根據(jù)負載的變化及時對誤差放大器做出調(diào)整，系統(tǒng)的自適應能力較差。

3 加入求和比較器的新型電流控制模式

為了解決開關電源自適應能力差的缺陷，對原來的降壓型變換器進行改進，得到如圖2電路

圖2改進的電流控制的PWM降壓變換器的基本組成

與圖1相比， 圖2中檢測電感電流的采樣電阻RS的位置發(fā)生了變化，將其從三極管的射極移到了輸出端，這樣電阻RS兩端的電壓就反映了采樣電流的大小。與此同時，用一個CMOS求和比較器代替了原來的兩個運算放大器，工作原理如下：U+ 、U_為諧波補償信號，組成一組差分信號，反饋電壓Uf和參考電壓Uref分別加至一對正負端，為一組差分信號。只有當U+、Uf、U1相加之和等于U_、Uref、U0之和時，求和比較器輸出高電平，鎖存器輸出低電平，三極管斷開，表明輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)；三極管斷開后，變壓器的原邊通過續(xù)流二極管放電，變壓器副邊電流減小，因為電容兩端的電壓不能突變，所以U0在三極管斷開的瞬間不變，U1減小，和其他五個參量共同輸入求和比較器，直到求和比較器輸出低電平，當時鐘脈沖再次來到時鎖存器輸出高電平，三極管再次導通。由此可見，控制信號的產(chǎn)生只與反饋信號（輸出電壓反饋信號和電感電流大小的反饋信號） 和獨立的諧波信號有關， 不再存在與開關電源濾波結構的電感和電容值相關的頻率補償問題， 既保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 也實現(xiàn)了自適應控制。

求和比較器的電路結構如圖3 所示。

圖3 求和比較器的電路結構

該比較器結構是折疊式的， MOS管M 1-M 6 組成3 對差分對。實現(xiàn)3 組電壓和的比較是通過電流和的比較而實現(xiàn)的， MOS管M 1， M 3 和M 5 所形成的電流和通過MOS管m 16-m 17折疊到輸出緩沖電流鏡的m 15的漏端， 同樣M 2， M 4 和M 6 所形成的電流和通過MOS管m 18-m 19折疊到輸出緩沖電流鏡的m 14的漏端， 再經(jīng)MOS管m 9 獲得R 信號。也即脈沖寬度調(diào)制信號。

4 結語

上文對利用CMOS求和比較器實現(xiàn)PWM電流控制方法進行了闡述，該方法簡化了傳統(tǒng)電流控制接法的電路結構，省略了誤差放大器，從而提高了輸出信號的速度和精度，減小了芯片的面積，降低了制作成本，有利于系統(tǒng)集成。理論上該方法具有輸出電壓穩(wěn)定、高速、精確的優(yōu)點，經(jīng)模擬和實驗后應可用于各種高效的電流PWM控制電路。