为什么开关电源需要控制系统

使输出稳定跟踪参考源是大多数开关电源的必要能力。大多数开关电源为恒压输出，对于恒定负载系统，如LED驱动，输出恒压和恒流是类似的。

根据电感伏秒平衡公式，输入电压不变，即便不使用任何闭环控制方法，开关电源依然能够稳定输出电压。但是此时开关电源系统的稳压性能是很差的，这是由于以下几个原因：

第一，在负载突变时，系统的输出电压一般会跳变后恢复。这是由功率级(Plant， Power stage)的零极点导致的。

第二，在负载增加时，输出电压会降低。这是线路、电感、电容和开关器件的损耗导致的。

第三，对于异步整流的系统，在进入DCM时输出会被充高，这是被动开关器件的非线性特性导致的。

对于上述问题，使用反馈控制，即让输出电压与参考电压作差或比较，不断调整功率管开关的时机来稳定输出电压，是最通用、最精确的方法。

开关电源控制为什么比想象中复杂？

当初学者学习开关电源时，会发现设计出稳定且可以带负载的开关电源系统是比较容易的。在使用集成IC时，往往只需要按照数据手册的推荐配置进行设计即可。在设计分立电源模块时，压低开环穿越频率可以解决几乎所有稳定性问题。

开关电源发展了数十年，这样的设计思路一度被认为是正确的。这也使得开关电源曾经是缓慢，低精度，高噪声的代名词。但是近年来大功率和电池供电用电器对电源要求的提高，高速，大功率的开关电源需求日益增加。比如移动设备CPU的供电电源，其负载大小随着 CPU 占用率动态超频核心关闭等快速跳动，未经优化的开关电源系统无法胜任，而CPU功耗较高，线性稳压器无法承受。因此现在的开关电源不光要解决电压转换问题，还需要具有较好的动态性能，又快又准地稳定负载电压。

大多数开关电源系统采用负反馈控制。因此构建小信号模型是常用的分析方法。理想系统的闭环波特图增益是恒定的1，相位为0，输出电压和负载电流无关，这显然无法做到。既然如此，人们不断研究什么样的控制方法能最大程度地满足要求。这些研究比我们想象中复杂，主要体现在以下几个方面。

1、系统建模的难度

开关电源系统的精确建模一直是学界的研究方向，建模方法有状态空间平均法、描述函数法等。开关电源系统包含大量非线性特性，同时参数众多，其建模的难度体现在以下几个方面：

• 首先，开关过程是离散的，构建平均模型是一个比较通用的简化方法。但是平均模型无法准确预测开关电源在在开关频率附近的频率特性，也无法还原如次谐波震荡等现象

• 其次，即便可以使用平均模型简化，大多数开关电源系统依然是典型的非线性系统。这是因为PWM控制器本身在平均后是一个乘法器且占空比值是被限制在0和1之间的。这使得开关电源系统不能像线性电路一样简单地推导，无法直接根据电路元件列写s域函数。

• 再次，某些拓扑（如Boost）具有右半平面零点。直观的说，对于Boost 的功率级，增加 PWM 信号的占空比不会立即使输出电压增高，而是先下降后升高。

• 另外，电路中的寄生参数无法被忽略。考虑电容ESR，电感ESR等寄生参数后，系统的功率级传递函数就已经复杂到难以计算。往往需要借助支持符号运算的计算工具软件推导，或者直接进行数值求解。

• 最后，输入电压、输出负载等外部参数都是影响频率特性的因素，而这些因素都是可能变化的或未知的。比如在设计通用电源模块时你不知道实际负载会是多大，会自带多少输入电容，它的ESR特性如何等等信息。

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2、系统测试的难度

开关电源的小信号环路测试一般需要使用环路分析仪。本质上是一个基带（不含RF变频器件）的矢量网络分析仪。对于没有相关设备的实验室，只能通过过冲、振铃等现象反推、估算系统的相位裕度、穿越频率等信息。而这样的反推、估算往往是不准确的。

而针对大信号测试，高动态性能的电子负载必不可少。电子负载的点流跳变速率、测试线缆寄生电感等因素都会影响测试结果。高性能的测试平台一般价值不菲。

开关电源的被控量和被控对象是什么？

在开关电源中，被控量可以是电流或电压。一般来说，DCDC变换器以恒压变换器为主。因此被控量一般是输出电压。由于输出电压可能波动，更精确地说被控量一般是平均输出电压，这一点在依赖输出电容ESR的控制方式中尤为体现。

控制系统输出控制信号给功率级（Power Stage），也就是开关电源系统的被控对象（Plant），你可以把它理解为前文所述的“拓扑”，如Buck，Boost，Flyback等。功率级一般包含输入电源、开关管（含MOS、BJT、IGBT和二极管）、电感（或变压器）、输出电容和负载。就控制过程（而非功率变换）而言，功率级的输入信号是开关管的开关信号，输出是被控量的反馈信号。

表：开关变换器类型与被控量的关系