开关电源的控制系统
一、前言
开关电源系统是弱电控制强电的系统。开关电源系统主要可以分为主功率电路和控制电路两部分。主功率电路是由变换器构成。变换器是应用功率半导体器件，对电能进行变换的装置，变换量包括电压、电流、频率和波形等方面，以达到电能更好符合各种不同用电设备要求的目的。这是通过对功率半导体器件的开关的控制来实现的。因此主功率电路是开关电源控制系统中的被控对象，而控制功率半导体器件的开关以实现既定的性能是控制装置的主要工作。将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，就构成开关电源的控制系统，这样的电路即为控制电路。控制系统的工作方式有多种，其中最基本的一种是基于反馈控制原理的闭环控制系统。而大部分的开关电源控制系统是闭环控制系统。
二、闭环控制原理
通常，我们把被控量送回到控制系统的输入端，与参据量相比较产生误差信号的过程，称为反馈。若反馈的信号是与参据量相减，使得产生的偏差越来越小，称为负反馈。由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过程成为闭合的，因此也称闭环控制，如图1所示。
图1 反馈控制框图
三、基本组成
控制装置是由具有一定职能的各种基本元器件组成。系统的元器件按照职能分类主要有以下几种：
测量单元：其职能是检测被控制的物理量。这个被控量一般为主功率电路的输出电压、主功率电路的输入电流等。
给定单元：其职能是给出与期望的被控量相对应的参据量，即给定量。在开关电源系统中，给定量一般为直流常量或者是交流正弦量。
比较单元：其职能是将检测到的被控制量的实际值与参据量进行比较，求出他们之间的偏差。
校正单元：即补偿单元，用串联方式或者反馈方式（并联方式）等方式连接在系统中，以改善系统的性能。这个补偿网络是控制系统的核心部分，是决定控制系统性能的关键部分。可以通过由电阻、电容组成的无源或有源网络实现，也可以通过MCU、DSP这些数字器件辅助实现。
四、外作用类型
一般加在开关电源系统上的外作用有两种类型：一种是有用输入，它决定系统被控量的变化规律，比如给定量；一种是系统不希望有的外作用，即扰动，它破坏有用输入对系统的控制。在实际系统中，扰动是不可避免的。这样的扰动包括：主功率电路输入电压的波动，主功率电路输出电流的波动或者负载的波动，元器件参数的温度漂移等。
五、基本控制方式
反馈控制是系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制方式。此外，还有开环控制方式和复合控制方式，它们都有着各自的特点和不同的应用场合。
（1）反馈控制方式
如前面所提及，反馈控制方式是按照偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。可见，按照反馈控制方式设计的控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的稳态精度。
如图2所示为电压型控制Boost变换器控制框图，电压反馈控制技术是开关电源系统中经典的反馈控制方法。这是60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展就采用的第一种控制方法，该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然被广泛的应用。
图2 电压型控制 Boost 变换器控制框图
（2）开环控制方式
开环控制方式是指被控装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程。按这种控制方式组成的控制系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。这种控制方式也称为前馈控制、顺馈控制。开环控制系统可以由按给定量控制的控制方式组成，也可以由按扰动控制的控制方式组成。
按给定量控制的开环控制系统，其控制作用直接由控制系统的输入量产生，给定一个输入量，就有一个输出量与之相对应，控制精度完全取决于控制电路所用的元器件以及主功率电路的特性，如图3所示。这种控制方式没有自动修正偏差的能力，抗扰动能力差。但由于其结构简单、调整方便、成本低，在精度要求不高或扰动影响较小的情况下，这种控制方式还是有一定的实用价值。
图3 按给定量控制的开环控制系统
如图4所示的采用电容的开关功率变换器，一般为多级变换电路中的其中一级，通常采用开环控制，效率和功率密度较高，容易实现开关，具有广泛的应用前景。
图4 开环控制的开关电容功率变换器
按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动量，产生一种补偿作用，以减少或抵消扰动对输出量的影响，如图5所示。这种控制方式直接从扰动取得信息，并据此改变被控量，因此其抗扰动性好，控制精度也较高，但它只适用于扰动是可以测量的场合，而且一个补偿装置只能补偿一个扰动因素，对其余扰动均不起补偿作用。
图5 按扰动控制的开环控制系统
如图6所示为单周期控制Buck变换器控制框图，单周期控制技术实际上就是一种按扰动控制的开环控制系统。它将主功率电路的输入电压引入控制，随着输入电压的变化，得到不同的占空度，使得主功率电路的输出电压跟随给定量。理论上这种控制技术完全抵制了主功率电路的输出电压扰动，但是对负载的扰动却无能为力。
图6 单周期控制 Buck 变换器控制框图
（3）复合控制方式
开环控制方式在技术上较反馈控制方式简单，且对激励响应快，但是仅仅只采用按给定量控制的前馈控制方式来控制，系统控制精度不高。而按扰动控制的开环控制系统只适用于扰动可以测量的场合。因此，比较合理的一种控制方式是把开环控制方式与反馈控制方式结合起来。这种控制方式称为复合控制。利用控制系统的给定量，产生一种补偿作用，使得被控量更好的跟随给定量。另外，对主要扰动采用适当的补偿装置来实现扰动控制。同时，再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。这样，系统的主要外作用已被补偿，反馈控制系统比较容易设计，控制效果也会更好。这种将前馈控制和反馈控制相结合的控制方式称为复合控制。
如图7所示为具有输入电压前馈的平均电流控制Boost变换器的PFC控制框图，这种控制方法为双环反馈的控制方法，外环为母线电压平均值控制环，内环为输入电流控制环。该控制方法将输出电压的平均值作为反馈与基准比较，产生的误差信号经由电压补偿器进行调节。产生的信号与输入电压有效值一起，控制正弦波基准的幅值。再将输入电流作为反馈与正弦波基准进行比较，产生的误差信号经由电流补偿器进行调节产生调制信号，再将该调制信号与载波比较得到控制信号，得到所需的控制信号，外环的作用，主要控制输出电压，内环主要控制输入电流的波形，保证输入电流的正弦度。引入了输入电压前馈，克服输入电压扰动对输出电压的影响。
图7 具有输入电压前馈的平均电流控制 Boost 变换器的PFC
六、校正方式
对控制系统的要求，通常以性能指标的形式给出。而为了使系统获得满意的性能，必须对控制系统进行设计和校正，也就是在系统中适当的位置加进适当的校正装置。校正装置弥补了原系统的性能缺陷。按照校正装置在开关电源系统中的连接方式，控制系统的校正方式可以分为串联校正、反馈校正、前馈校正、复合校正等。如图8所示为系统校正装置位置示意图，G（S）为被控对象（主功率电路）；串联校正装置一般连接在G（S）之前，串接与系统前向通道之中，如G1（S）益所示；反馈校正装置连接在系统局部反馈通路之中，如G2（S）位置所示；补偿给定量的前馈校正装置接在系统给定量之后的前向通道之上，形成前馈校正通路，如G3（S）位置所示，补偿扰动量的前馈校正装置接在系统可测试的振动量之后，形成一条附加的通道，如G4（S）位置所示。前馈校正装置可以单独作用与开环控制系统，也可以作为反馈控制系统的附加校正而组成复合校正控制系统。
图8 系统校正装置位置示意图
七、小结
开关电源系统通过控制电路对主功率电路的控制实现电能的变换。开关电源系统有多种控制方式，而控制方式的核心是校正方式。究竟选用哪种控制方式，系统如何校正，取决于系统主功率电路的被控量的性质、抗扰动性要求、技术实现的方便性、经济性要求、环境使用条件等因素。