摘要：开关电源作为电能转换装置，是用电设备顺利使用的根本保障。随着电力电子技术的创新发展与普及应用，开关电源应用范围、应用要求不断提升，呈现出高频化、数字化等发展态势。本文以开关电源控制方法为研究对象，在阐述开关电源基本原理的基础上，就PWM控制、PFM控制等控制方法进行了简要分析，以供参考。
关键词：开关电源；电源控制；控制方式
引言：开关电源以其体积小、重量轻、灵活性强、能耗低、成本低、效率高等特征，在众多领域的用电设备、用电系统中得到广泛应用，成为用电设备、系统运行过程中，电能资源应用的重要转换与控制装置。因此，开关电源控制水平的高低直接影响用电设备与系统应用质量。对此，有必要加强开关电源控制方式的研究，提升开关电源控制能力，助力开关电源自动控制、智能控制的优化发展。
1开关电源
开关电源（Switching Mode Power Supply）又被称之为“开关变换器”、“交换式电源”，是一种以电力电子技术为核心，通过不同架构形式，进行电能转换，以满足用户端用电需求的电器设备[1]。具有效力高、功耗低、体积小、重量轻、稳压效果好、应用灵活性强等优势。目前已被广泛应用于军工设备、电子设备、医疗卫生设备、数字仪表、数码产品、家用电器、照明系统、电力设备等众多领域，成为用电设备与系统动力供应不可或缺的装置。通常情况下，开关电源主要由主电路、控制电路、辅助电源、检测电路等几部分构成（如图1所示）。
图1开关电源结构简图
其中主电路是交流电网输入与直流输出的重要路径，由开关管、滤波器、高频变压器等组成；控制电路则是通过在输出端进行取样，对比设计值，通过脉宽调整维护输出的稳定与安全，侧重于在开关电源电路的保护下，提升开关电源运行的稳定、安全与可靠；辅助电源侧重于电路供电与电路保护，可实现开关电源的远程操控；检测电路是开关电源实施电路保护的重要举措，能够在过热、过电压、过电流等检测中，进行开关电源电路的过热保护、过压保护、过电流保护，与此同时具备自动重启功能与隔绝电路故障干扰能力。
2开关电源控制方法
随着开关电源技术的不断创新，以及开关电源应用要求的不断提升，开关电源控制方式呈现出多样化发展态势。对现有开关电源控制方法进行归类，大致可分为模拟控制与数字控制两种，具体分析如下。
2.1模拟控制
模拟控制是以模拟量为基础的控制方法。在开关电源控制中，模拟控制方法应用更早，也更广泛，目前已经形成相对完善的控制体系。对开关电源模拟控制方法进行细分，又可分PWM控制技术、PFM控制技术以及PWM与PFM混合控制技术。
2.1.1 PWM控制
PWM控制（Pulse Width Modulation，一种脉冲宽度调制方式）主要是根据开关电源输入电压、开关电源参数等与开关电源相关的相应载荷变化，实现对脉冲宽度的控制，进行开关电源输出电压的控制，达到稳压目的。PWM控制具有噪音低、成本低、效率高、性能好等特征。以开关电源中PWM整流控制为例，在实际运行过程中，PWM整流控制主要以开关电源电路输入电流与开关电源电路输出电压为控制对象。在以电流为控制对象时，PWM整流器能够跟踪给定电流信号，并通过计算，获得电流指令数值，在反馈电路作用下，实现指令电流的动态跟踪，从而根据电流变化进行开关电源电流的直接控制[2]。与此同时，在对开关电源动态响应要求不高的控制场景中，以开关电源工作频率的稳定性为基准，利用PWM整流器实现对开关电源输入端电压的调控，使其始终保持在一定相位上，达到电流间接控制目标，提升开关电源运行稳定性。在以电压为控制对象时，PWM控制实现与输出端电压幅值相同脉冲的获取，并利用脉冲进行波形的替代。在此基础上，依据一定规则进行脉冲宽度调制，实现输出电压值的调整，以达到稳压目的。
2.1.2 PFM控制
PFM控制是一种脉宽频率调制方法。开关电源PFM控制中，脉冲宽度为定值，通过调解开关电源脉宽频率进行控制，保证开关电源输出电压的稳定。开关电源PFM控制方法应用的典型代表是谐振变换器与准谐振变换器。以谐振变换器为例，开关网络进行信号转换，使直流信号变为方波形功率信号后，通过谐振变换器将方波形功率信号转换为正弦信号，依据一定规则实现脉冲频率调制，并在整流电路、滤波电路作用下，保证输出电压的稳定。相对于PWM控制而言，PFM控制的静态功率虽小，但不稳定性较强，且控制电路设计较为复杂，加之不具备限流能力，因此PFM控制方法的应用存在一定局限性，推广度不高。
2.2.3 PWM与PFM混合控制
基于PWM控制优势与PFM控制优势的有机结合，进行了PWM—PFM混合控制技术的研究。设计在开关电源控制过程中，根据输入电压情况，调整控制命令。即，如输入电压低进行PWM控制，反之执行PFM控制命令。
2.2数字控制
采用模拟控制法的开关电源，涉及到的元器件相对较多，且不同元器件具有不同参数，在运行过程中元器件参数会随着温度、时间等变化发生改变，对开关电源系统产生影响，增加系统控制相应参数获取难度。对此，设计将模拟信号转变为数字信号，以数字信号为基准，进行开关电源控制，提升开关电源电路控制响应能力，增强开关电源运行的稳定性、安全性、可靠性。在数字控制中，单片机控制与数字芯片控制是较为常用的两种方法，具体分析如下。
2.2.1单片机控制
单片机控制时，需对开关电源系统输出信号进行采集，并在A/D转换下获得数字信号，通过运算的形式，进行数字信号调整，最后将数字信号转换为模拟信号，实现开关电源控制系统中PWM控制芯片的驱动，达到开关电源数字控制要求。单片机控制方法具备成本低、控制技术成熟等优势。但数字转换过程中所需要的时间相对较长，不利于开关电源系统动态性能的提升。因此，设计创新数字控制算法，提升数字控制器运行能力，提高单片机控制效果。
2.2.3数字芯片控制
数字芯片控制方法的应用能够在一定程度上实现开关电源控制电路结构的简化，且运算能力、模数转化能力在一定程度高于单片机控制，是今后开关电源控制方法理论与实践研究的主流趋势，在助力开关电源模块化、数字化、智能化、高频化发展上发挥着重要作用。
结论：随着开关电源应用规模、数量的不断提升，各领域对开关电源性能、质量、效率等提出更高要求。而要想实现开关电源高质、高效、高性能、高可靠性发展，需以行之有效的控制技术为支撑。对此，相关企业以及工作人员应加强开关电源控制方法的研究力度，在研究中加强对开关电源控制方法的理解，提升控制方法应用质量，推动控制方法创新发展，以满足市场、社会对开关电源应用的需求。
参考文献：
[1]王明玥,温金鑫,于洪泽,等.一种高频开关电源系统的并联均流控制方法[J].电气传动,2019,49(01):68-71+82.
[2]王思聪.开关电源的基本原理与技术发展综述[J].价值工程,2018,37(14):269-271.
论文作者:庞瑞杰
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：开关电源论文; 方法论文; 电路论文; 变换器论文; 电流论文; 电压论文; 信号论文; 《科技新时代》2019年5期论文;