電壓模式控制應用於降壓轉換器

電源切換供應轉換器之迴路控制方式主要可以分為定頻(Fixed Frequency)控制與變頻(Variant Frequency)控制，其中定頻控制又被稱為Pulse Width Modulation (PWM)而變頻控制也被稱為Pulse Frequency Modulation (PFM)。其中PWM控制主要可以分為電壓模式(Voltage Mode)控制與電流模式(Current Mode)控制。本帖先以電壓模式控制來進行分享與討論。

 

至於電源切換供應轉換器之架構主要可以分為降壓轉換器(Buck Converter)與升壓轉換器(Boost Converter)和升降壓轉換器(Buck-Boost Converter)，其中降壓轉換器比較常使用，因為它可以直接將12V的輸入電壓直接轉換至5V, 3.3V, 1.8V,1.2V等；而升壓轉換器通常應用需要較高的電壓應用，如LED等可以透過串聯與並聯結合之應用，或是因為升壓轉換器之電感電流連續的特性而常使用於功率因數孝校正器(Power Factor Corrector)；至於升降壓轉換器則是較常應用於以電池相關方面的應用。

 

所以為了能夠以最具體與最常見的電路架構與控制方式來與大家分享與討論，而選擇先探討電壓模式控制應用於降壓轉換器。

 

 圖一 電壓模式控制應用於降壓轉換器

 

 

圖一為電壓模式控制應用於降壓轉換器之電路架構圖，主要可以分成降壓轉換器架構、回饋分壓電阻之增益、補償器、調變增益等幾項。電壓模式控制為早期開關穩壓器設計所使用之方法，控制方法滿足業界之需求。這種設計的主要特性是只存在一條電壓迴授網路，而脈寬調變則是透過將電壓誤差信號與一個恒定三角波形進行比較後實現。電壓模式優點為：1.採用單迴授電路，因而較易設計及分析。2.高幅度三角波形提供用於實現穩定調變過程的充分雜訊裕量。3.低阻抗功率輸出提供多輸出電源更加優良調變性能。對於一個設計者來說，通常會先看此電路的開迴路之頻域波德圖，然後再看其補償器需要進行設計的方向。然後針對其閉迴路的頻域波德圖是否符合自己所設計之結果。

 

至於開迴路控制系統可以定義為當輸出的動作對於輸入的訊號無任何影響作為。圖二為開迴路系統方塊圖，當一穩定電源輸入該系統，經調變器與輸出濾波器產生穩定的輸出訊號。因此當使用此種系統時，必須事先校正與定期調整以確保系統正常運作。其結構較為簡單，精密度不高是一大缺點，此種系統多用在較單純、不需太重視輸出的場合中。

 

圖二 開迴路系統方塊圖

  

反之，當輸出動作對輸入訊號有直接影響時，則稱之為閉迴路控制系統，在閉迴路控制系統內，當輸出端振盪經補償網路作取樣調查，依實際的情況做必要性的調整。由輸出至補償網路的訊號為順向路徑，由感補償網路的訊號為回饋訊號。如圖三所示，在比較器內設定點減掉回饋訊號，將理想輸出量減掉實際輸出量可得一系統誤差，補償網路即是要將此誤差值降至最小，零誤差表示輸出與理想輸出相同。在許多應用場合下，閉迴路的自我修正特性的表現比開迴路佳，但是需要額外的電路，表現佳是因為當系統元件本身重覆性不佳或特性不十分清楚時，閉迴路可以提供較可靠，重覆的運轉特性。此種系統佔控制系統中的大部分，因能夠藉由回授訊號的修正，使輸出達到要求之目標。此外閉迴路控制系統還可以減小外界干擾對系統輸出的影響，控制原本不穩定的系統，並改善其響應效能。

 

圖三 閉迴路系統方塊圖

 

針對降壓轉換器的架構書本上都有相關式子可以計算，本帖就不再多說，以免整理放了太多式子而降低大家對於這一帖的注意與興趣。

至於補償器的設計因為其非常關鍵，所以請容我稍後為大家補上再針對補償器設計進行切磋與討論，謝謝。

最後，感謝大家耐心看完此帖，如果有任何問題都可以切磋唷，謝謝。