系统电源中保持开关稳定的临界模式控制器的设计
前言
目前，系统中的开关电源具有两种不同的工作模式，当电源处于导通状态的时候，可以用不同的模式来描述环绕在电源扼流圈中的电流[1]。本文以FLYBACK拓扑结构为例，按照其工作原理，可能工作在两种不同的模式，但这两种模式具有相同的功率容量，则对应这两种不同的导通模式，在直流和交流情况下会有非常大的差别，而且组成电源的元器件会受不同程度的影响[2]。根据众多实验结果的分析，可以看出众多的离线式电源系统，为了提高系统的可靠性，降低对元器件等级的要求，一般都工作在非连续区域。
本文将首先介绍临界模式控制原理，在分析两种模式工作特点的基础上，提出临界模式控制的概念，并通过不同模式零、极点的分析，得出针对FLYBACK结构调整临界模式的方案，提出整体电路系统设计，并给出模拟仿真结果。
临界模式控制原理
图1(a)和(b)示出几个周期内转换器线圈中流过电流的波形示意图，从图中可以看出，当处于导通状态的时候，在电感中建立起来磁场，电流快速上升；而当关断后，电感磁场快速下降，根据洛仑兹定律，在电感中建立起反向电动势，在这种情况下，电流为了保持其电流连续性，必须找到其相应通路，并且电流开始减电感电压小，例如，在拓扑结构为FLYBACK的情况下，可以通过工字电感器输出网络维持其电流，而在BUCK拓扑结构下，则通过续流二极管维持其电流[3]。
如果在电流下降的周期内，在电流减至零之前，电路再次导通的话，如图1(a)所示，称为“连续导通模式”（CCM）。而如果当关断时期内，由于线圈储能比较有限，导致再次开通之前电流已经降为零，如图1(b)所示，出现了一段“死区时间”，则对应的工作状态称为“非连续导通模式”（DCM）。死区时间有长有短，而如果将电路设置成这样的工作状态，就是当在关断期间，电流一降到零，系统立即开启，则对应的死区时间为零，对应的这种工作状态称为“临界导通模式”。
(a)连续导通模式（CCM）电流波形示意图
(b)非连续导通模式（DCM）电流波形示意图
图1 开关过程电流示意图
目前总共有三种方法使电路进入临界状态：
·确定出临界状态对应的电感值LC，但是当电感值LC确定后，在不同负载情况下，系统却可能进入CCM模式，也可能进入DCM模式；
·已知的某一个给定电感L情况下，通过确定负载的大小，使电路进入不同的一体电感器模式；
·将上述的电感和电阻等关键元器件的值都固定下来，通过开关频率的调整，使电路进入临界模式。
临界模式控制器的设计
图2所示FLYBACK拓扑结构的转换器，通过对它的计算分析来进行进一步的解释。
为了简化分析，先进行如下假设[3]：
假设1：每周期内电电感器厂家感平均电压降为0；
假设2：根据图1(b)所示，当L=LC的时候，IL(平均)=1/2IP
假设3：电源功率具有100%的转换效率，即Pin=Pout
采用上面假设1，可以确定出在CCM模式下的直流电压转换率，根据图2(b)可以得到下列关系式：
(a) FLYBACK拓扑结构电路示意图
(b) 次级线圈对应电压波形示意图
图2 确定临界状态电路示意图
根据图1(b)可以看出，对应于临界模式，意味着在导通状态中，对线圈中存储的能量会在电感器厂家下个周期开始的时候正好降为零，根据此判断，可得[4]：
根据假设2，对上式积分可得：
通过联立上述方程，可确定出对应临界状态的关键元器件的大小：
表1 FLYBACK拓扑不同模式对应极点、零点及电压增益平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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