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电压模式控制学习

news 来源：原创 2025/8/22 3:21:51

电压模式控制

在开关电源中，大的可分为三大控制模式，分别是电压模式控制，电流模式控制，迟滞模式控制。今天简要介绍下电压模式控制的优缺点。

原理

架构图如下
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如图所示，电压模式控制可以分为三部分：误差放大器+反馈网络、调节器、输出滤波器。其控制逻辑：反馈网络检测输出电压，与内部基准电压比较（0.6V/0.8V），产生误差信号；误差信号与调节器中固定频率的锯齿波比较，产生PWM信号控制开关管通断，从而稳定电压。

控制逻辑：
当Vo上升，Vfb>Vref，Vc变低，Ton变小，从而把Vo拉低；
当Vo下降，Vfb<Vref，Vc变高，Ton变大，从而把Vo拉高；
在这里插入图片描述
这里也可以提炼几个关键信息：

时钟信号，这个调节器的固定时钟信号就是这个电源的开关频率，因此这种是固定频率PWM。
基准电压，误差放大器的基准电压，通常可以理解为芯片的FB电压，比如常见的0.5V/0.6V/0.8V。

优缺点

优点

简单可靠：单反馈环路（只有一个电压环），易于调试。
抗噪声能力好：对电流采样不敏感（相较于电流模式）。
稳定性好：在固定负载或慢变化场景下，环路补偿设计简单。

缺点

动态响应慢：仅依赖电压反馈，无法快速响应输入电压突变或负载瞬变（需等待输出电压变化后才能调整）。
需额外输入前馈补偿：输入电压变化时，占空比调整滞后（需加入输入电压前馈电路改善）。
对LC滤波器谐振敏感：输出滤波器双极点（LC）可能引发相位裕度不足，需复杂补偿网络（如Type III补偿）。
CCM/DCM差异：难做补偿。
限流问题：需要设计单独的电流限制电路。

对比CMC

特性	电压模式VMC	电流模式CMC
反馈信号	仅输出电压	输出电压+电感电流
动态响应	慢	快（逐周期限流）
抗输入扰动	差（需前馈补偿）	天然抗输入扰动
补偿复杂度	高（需处理LC双极点）	低（单极点系统）
成本	低	略高（需电流采样）

典型应用场景
根据其优缺点，我们就可以找到其适用场景。

适用场景

输入电压稳定、负载变化慢：家用电器电源（电视、路由器）、工业设备辅助电源（12V/5V稳压）
低成本、低复杂度设计：消费电子充电器、LED驱动电源
对噪声敏感的场景：医疗设备、精密仪器电源（避免电流采样引入噪声）

不适用场景

输入电压波动大（如电池供电设备）
负载瞬变频繁（如CPU/GPU的VRM电源）

设计注意事项

补偿网络设计：电压模式需针对LC滤波器双极点设计补偿（常用Type II或Type III补偿器）。
输入滤波：输入电容需足够大，抑制输入电压纹波对占空比的直接影响。
保护功能：过压保护（OVP）需快速响应，避免电压环调节滞后导致损坏。

环路补偿

环路终究是每个电源工程师都绕不过的话题，而电压模式控制的环路响应较慢（因无电流环），需要注意如下：
LC滤波器的双极点：
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如图所示，可以将Z_B作为一个统一，与Z_A分压得到Vout，将Co,Resr,L，带入可以得到右边的理想波特图，可以发现，1KHz与10KHz的斜率是40dB，这就是双极点，每一个极点对应20dB，详细的推导后续会专门讲到环路补偿设计。

那么目前我们希望得到的一个稳定的环路应该是什么样子呢？

相位裕度：≥ 45°（避免震荡）
增益裕度：≥ 10dB（防止参数漂移导致不稳定）
穿越频率的斜率：-20dB/十倍频

举个例子，输入电压12V，输出电压1.2V，输出电流10A，开关频率100kHz，电感L=680nH，DCR为0.5mΩ，输出电容220uF，ESR为4mΩ，锯齿波幅值1V，可以得到开环相位及增益波特图：
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可以发现：LC滤波器在谐振频率，F_LC=1.3x10⁶Hz处，存在-180°的相位偏移，需要通过补偿网络Type II 或Type III引入零点和极点。

Type II补偿：适用于中低宽带需求，提供1个零点（抵消LC一个极点）和1个极点（放在高频位置，抵消高频噪声）。
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Type III补偿：高带宽需求，提供2个零点和2个极点，提升相位裕度。
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采用合适的补偿参数，可以将上述举例的电源环路补偿设计成如下：
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电流限制

由上可知，电压模式控制，是没有任何限制电流的部分的，而在一个buck芯片的使用过程中，都要防止如下情况：

电感/开关管过流：负载短路，瞬态冲击等导致电流超过其额定值。
热损坏：过流会导致过热，损坏芯片或外部器件。

电压模式控制下的限流实现方式：

峰值电流检测
- 通过检测开关管的电流或电感电流，与设定的阈值比较。
- 下MOS管检测：下管导通时，导通电阻Rdson或外部分流电阻测量电流（很多芯片应用中，MOS的s对地有个电阻，芯片有个cs或sense脚拉到这个电阻）。
- 电感DCR检测：利用电感的等效串联电阻（DCR）和RC网络提取电流信号。
- 当检测电流超过阈值，立刻关断MOS（很多规格书中的逐周期限流就是此原理，Cycle-by-Cycle Limiting）。
比较器+参考电压
- 电流检测信号通过比较器与设定的参考电压（对应电流限值）比较，触发保护逻辑。（有些芯片中有个Rlimit脚，一个电阻值对应一个电流值）。
打嗝模式（Hiccup Mode）
- 若持续过流，芯片进入“打嗝”保护，周期性尝试重启，避免持续发热。

总之，电压模式控制中的电流限制是作为一个保护机制，而非控制机制，其核心就是实时检测电流并在超限时切断开关管，确保系统安全。

输入电压变化的影响

由前所述，电压模式控制下，占空比直接由误差放大器输出与锯齿波比较生成，输入电压变化会改变环路增益（V_in越高，增益越小），那么对于一定宽的输入电压范围，就需要补偿网络用以保证其均能稳定。

解决方法：选择宽输入范围补偿参数，或采用前馈补偿（Feedforward）技术（如输入电压前馈锯齿波幅度）。

前馈补偿通过动态调制锯齿波斜率或环路增益，抵消输入电压对环路的影响，本质是一种“开环修正”技术，其优势在于不依赖反馈环路的延迟，可快速响应V_in的变化。

负载瞬态响应

前面谈到了，电压模式控制下的动态响应是比较慢的，因为没有电流环，纯靠负载变换时输出电压的反馈，可以通过如下几个方式去改善这个问题：

提高交叉频率（带宽）：但受限于LC滤波器谐振频率，通常设为F_LC/5 ~ F_LC/3。
增加输出电容：降低负载瞬态时的电压跌落，但需权衡体积和成本。
使用低ESR电容：如陶瓷电容，减少输出电压纹波。

启动与软启动

还是同一个问题，因为其环路响应慢，在开始启动时需要加入软启动，避免输入浪涌电流。软启动电路缓慢升高占空比，如用外部电容控制误差放大器基准电压的爬升时间，确保软启动时间足够（通常1ms~10ms）。

暂记于此吧，想用好或者设计好一个电压模式控制的开关电源，还有很多的地方需要注意的，再接再厉。