當開關電源工作于CCM模式時輸出電壓與輸入電壓滿足一定的關系如反激電路Vo=Vin*D/(1-D)、正激電路Vo=Vin*D、Boost電路Vo=Vin/(1-D),假設輸入電壓Vin不變只有保證占空比D不變則輸出電壓也不變。
在DCM模式時上述關系不再成立一般是根據能量守恒來計算此時需要知道負載電阻的大小,其實DCM中也是隱含了伏秒平衡特性,見下圖:
圖1 伏秒平衡電流波形曲線
圖1(a)為CCM模式滿足伏秒平衡,圖1(b)為DCM模式其中Ton與Toff’滿足伏秒平衡,再觀察圖中的紅色trig三角波,相對于CCM模式只是向下平移了而其形狀并未改變。
如果在控制電路中模擬出電感電流并將電流小于零的部分補充上去(虛線部分)那么就能得到DCM模型下的伏秒平衡關系進而同CCM模式一樣實現自穩壓特性。
實現DCM自穩壓有好多種辦法,比如用Toff反推Ton法通過積分求平均值法等,模擬電感電流法認為是一種簡單有效的方法。以反激為例,其伏秒平衡關系滿足Vin/Lm*Ton=Vor/Lm*Toff,只要將公式中的電壓除電感換成壓控電流源,再將“零”線上移就能實現兼容DCM和CCM電感電流的模擬并完成自穩壓功,電路如下:
圖2 DCM、CCM自穩壓控制電路
上圖控制電路左側輸入一固定占空比的PWM信號,模擬輸出功率從輕載到重載的波形如下:
圖2-1 直流輸入從輕載到重載的波形
如上圖所示隨著負載功率的增大電路由DCM進入CCM模式,輸出電壓始終穩定在50V左右達到了預期目標。再模擬輸出功率輕載——重載——輕載突變的波形:
圖2-2 直流輸入負載突變的波形
上圖顯示經歷負載突變后輸出電壓也可以自動實現穩壓(輕載時有震蕩現象電路需做一些調整)。
前面假設的輸入電壓不變,當輸入電壓變化時占空比需做相應的調整才能保持輸出不變,增加一前饋電路可以解決這一問題,電路如下:
圖3 帶前饋功能的自穩壓控制電路
下面模擬輸入有波動情況下由輕載到重載的波形:
圖3-1 交流輸入由輕載到重載波形
上圖輸入電壓為交流電經整流器后的波動電壓,隨著負載功率的增加也經歷了從DCM到CCM的過程,輸出電壓也基本保持穩定。
再模擬交流輸入情況下負載突變的波形:
圖3-2 交流輸入負載突變波形
通過以上仿真驗證了這種利用伏秒平衡原理實現DCM&CCM模式自穩定輸出的可行性,實際應用中再匹配PID控制器就可以得到更精確的輸出電壓控制。那么這種控制方法能否改變功率級電路的動態特性,對降低PID控制器參數設計是否有幫助?下一步準備通過環路分析找出其中的答案。