一、前言

　　開關電源系統是弱電控制強電的系統。開關電源系統主要可以分為主功率電路和控制電路兩部分。主功率電路是由變換器構成。變換器是應用功率半導體器件，對電能進行變換的裝置，變換量包括電壓、電流、頻率和波形等方面，以達到電能更好符合各種不同用電設備要求的目的。這是通過對功率半導體器件的開關的控制來實現的。因此主功率電路是開關電源控制系統中的被控對象，而控制功率半導體器件的開關以實現既定的性能是控制裝置的主要工作。將被控對象和控制裝置按照一定的方式連接起來，組成一個有機的總體，就構成開關電源的控制系統，這樣的電路即為控制電路。控制系統的工作方式有多種，其中最基本的一種是基于反饋控制原理的閉環控制系統。而大部分的開關電源控制系統是閉環控制系統。

　　二、閉環控制原理

　　通常，我們把被控量送回到控制系統的輸入端，與參據量相比較產生誤差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號是與參據量相減，使得產生的偏差越來越小，稱為負反饋。由于引入了被控量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此也稱閉環控制，如圖1所示。

圖1  反饋控制框圖

　　三、基本組成

　　控制裝置是由具有一定職能的各種基本元器件組成。系統的元器件按照職能分類主要有以下幾種：

　　測量單元：其職能是檢測被控制的物理量。這個被控量一般為主功率電路的輸出電壓、主功率電路的輸入電流等。

　　給定單元：其職能是給出與期望的被控量相對應的參據量，即給定量。在開關電源系統中，給定量一般為直流常量或者是交流正弦量。

　　比較單元：其職能是將檢測到的被控制量的實際值與參據量進行比較，求出他們之間的偏差。

　　校正單元：即補償單元，用串聯方式或者反饋方式（并聯方式）等方式連接在系統中，以改善系統的性能。這個補償網絡是控制系統的核心部分，是決定控制系統性能的關鍵部分。可以通過由電阻、電容組成的無源或有源網絡實現，也可以通過MCU、DSP這些數字器件輔助實現。

　　四、外作用類型

　　一般加在開關電源系統上的外作用有兩種類型：一種是有用輸入，它決定系統被控量的變化規律，比如給定量；一種是系統不希望有的外作用，即擾動，它破壞有用輸入對系統的控制。在實際系統中，擾動是不可避免的。這樣的擾動包括：主功率電路輸入電壓的波動，主功率電路輸出電流的波動或者負載的波動，元器件參數的溫度漂移等。

      五、基本控制方式

　　反饋控制是系統最基本的控制方式，也是應用最廣泛的一種控制方式。此外，還有開環控制方式和復合控制方式，它們都有著各自的特點和不同的應用場合。

　　（1）反饋控制方式

　　如前面所提及，反饋控制方式是按照偏差進行控制的，其特點是不論什么原因使被控量偏離期望值而出現偏差時，必定會產生一個相應的控制作用去減小或消除這個偏差，使被控量與期望值趨于一致。可見，按照反饋控制方式設計的控制系統，具有抑制任何內、外擾動對被控量產生影響的能力，有較高的穩態精度。

　　如圖2所示為電壓型控制Boost變換器控制框圖，電壓反饋控制技術是開關電源系統中經典的反饋控制方法。這是60年代后期開關穩壓電源剛剛開始發展就采用的第一種控制方法，該方法與一些必要的過電流保護電路相結合，至今仍然被廣泛的應用。

圖2  電壓型控制 Boost 變換器控制框圖

　　（2）開環控制方式

　　開環控制方式是指被控裝置與被控對象之間只有順向作用而沒有反向聯系的控制過程。按這種控制方式組成的控制系統稱為開環控制系統，其特點是系統的輸出量不會對系統的控制作用發生影響。這種控制方式也稱為前饋控制、順饋控制。開環控制系統可以由按給定量控制的控制方式組成，也可以由按擾動控制的控制方式組成。

　　按給定量控制的開環控制系統，其控制作用直接由控制系統的輸入量產生，給定一個輸入量，就有一個輸出量與之相對應，控制精度完全取決于控制電路所用的元器件以及主功率電路的特性，如圖3所示。這種控制方式沒有自動修正偏差的能力，抗擾動能力差。但由于其結構簡單、調整方便、成本低，在精度要求不高或擾動影響較小的情況下，這種控制方式還是有一定的實用價值。

圖3  按給定量控制的開環控制系統

如圖4所示的采用電容的開關功率變換器，一般為多級變換電路中的其中一級，通常采用開環控制，效率和功率密度較高，容易實現開關，具有廣泛的應用前景。

圖4  開環控制的開關電容功率變換器

　　按擾動控制的開環控制系統，是利用可測量的擾動量，產生一種補償作用，以減少或抵消擾動對輸出量的影響，如圖5所示。這種控制方式直接從擾動取得信息，并據此改變被控量，因此其抗擾動性好，控制精度也較高，但它只適用于擾動是可以測量的場合，而且一個補償裝置只能補償一個擾動因素，對其余擾動均不起補償作用。

圖5  按擾動控制的開環控制系統

　　如圖6所示為單周期控制Buck變換器控制框圖，單周期控制技術實際上就是一種按擾動控制的開環控制系統。它將主功率電路的輸入電壓引入控制，隨著輸入電壓的變化，得到不同的占空度，使得主功率電路的輸出電壓跟隨給定量。理論上這種控制技術完全抵制了主功率電路的輸出電壓擾動，但是對負載的擾動卻無能為力。

圖6  單周期控制 Buck 變換器控制框圖

 （3）復合控制方式

　　開環控制方式在技術上較反饋控制方式簡單，且對激勵響應快，但是僅僅只采用按給定量控制的前饋控制方式來控制，系統控制精度不高。而按擾動控制的開環控制系統只適用于擾動可以測量的場合。因此，比較合理的一種控制方式是把開環控制方式與反饋控制方式結合起來。這種控制方式稱為復合控制。利用控制系統的給定量，產生一種補償作用，使得被控量更好的跟隨給定量。另外，對主要擾動采用適當的補償裝置來實現擾動控制。同時，再組成反饋控制系統實現按偏差控制，以消除其余擾動產生的偏差。這樣，系統的主要外作用已被補償，反饋控制系統比較容易設計，控制效果也會更好。這種將前饋控制和反饋控制相結合的控制方式稱為復合控制。
如圖7所示為具有輸入電壓前饋的平均電流控制Boost變換器的PFC控制框圖，這種控制方法為雙環反饋的控制方法，外環為母線電壓平均值控制環，內環為輸入電流控制環。該控制方法將輸出電壓的平均值作為反饋與基準比較，產生的誤差信號經由電壓補償器進行調節。產生的信號與輸入電壓有效值一起，控制正弦波基準的幅值。再將輸入電流作為反饋與正弦波基準進行比較，產生的誤差信號經由電流補償器進行調節產生調制信號，再將該調制信號與載波比較得到控制信號，得到所需的控制信號，外環的作用，主要控制輸出電壓，內環主要控制輸入電流的波形，保證輸入電流的正弦度。引入了輸入電壓前饋，克服輸入電壓擾動對輸出電壓的影響。

圖7  具有輸入電壓前饋的平均電流控制 Boost 變換器的PFC

　　六、校正方式

　　對控制系統的要求，通常以性能指標的形式給出。而為了使系統獲得滿意的性能，必須對控制系統進行設計和校正，也就是在系統中適當的位置加進適當的校正裝置。校正裝置彌補了原系統的性能缺陷。按照校正裝置在開關電源系統中的連接方式，控制系統的校正方式可以分為串聯校正、反饋校正、前饋校正、復合校正等。如圖8所示為系統校正裝置位置示意圖，G（S）為被控對象（主功率電路）；串聯校正裝置一般連接在G（S）之前，串接與系統前向通道之中，如G1（S）益所示；反饋校正裝置連接在系統局部反饋通路之中，如G2（S）位置所示；補償給定量的前饋校正裝置接在系統給定量之后的前向通道之上，形成前饋校正通路，如G3（S）位置所示，補償擾動量的前饋校正裝置接在系統可測試的振動量之后，形成一條附加的通道，如G4（S）位置所示。前饋校正裝置可以單獨作用與開環控制系統，也可以作為反饋控制系統的附加校正而組成復合校正控制系統。

圖8  系統校正裝置位置示意圖

　　七、小結

　　開關電源系統通過控制電路對主功率電路的控制實現電能的變換。開關電源系統有多種控制方式，而控制方式的核心是校正方式。究竟選用哪種控制方式，系統如何校正，取決于系統主功率電路的被控量的性質、抗擾動性要求、技術實現的方便性、經濟性要求、環境使用條件等因素。