通信作者：成紅玉
校閱：譚磊 姚若亞

摘要

本文從電源分類出發，聚焦于非隔離型電感開關電源的一般電路結構，并簡要分類討論了穩定控制的關鍵要素，如小信號環路、附加控制、穩態拉入和行為改善、不同結構變種、啟動行為，以及保護機制和其動作方式。本文旨在提供一個關于非隔離開關電源架構及控制的概覽性框架，為相關領域的研究人員和技術工程師提供參考。

1 電源分類

隨著技術的進步，電源的分類越來越精細，以適應各種復雜的應用場景。圖1是電源的一種分類，其中非隔離型電感開關方式電源應用最為廣泛。

2 非隔離型電感開關電源的一般電路結構

開關電源產品從1955年應航天工程需要出現發展到今天，外部電路越來越簡單，內部電路則日趨復雜完善。良好的性能和應用適用性由一系列功能集合協同實現。圖2所示為非隔離電感開關電源電路的一般結構，其中包括了多種不同穩壓結構采用的信號量和控制量。

3 穩定控制

開關穩定電源，包括穩壓電源和穩流電源，穩定控制通過控制開關過程調節輸出電壓或電流，響應輸入和負載的變化、維持穩定的輸出電壓或電流。穩定控制分為線性控制和非線性控制，這取決于它們如何響應輸入和負載的變化。線性控制是指從其觀察到偏差至所做出的調整之間成線性比例關系；非線性控制則不遵循這種比例關系并相應導致復雜響應行為，包括時間上不連續的變化和非線性比例。

根據輸出與整定目標的偏差來調整開關過程從而影響輸出與整定目標間的偏差，形成相互影響的閉環，即控制環或者負反饋控制環。通常利用控制環保證輸出值與整定目標間的關系。無論是線性控制還是非線性控制，都有在環內作用和環外作用的形式。

3.1 小信號環路¹

小信號環路是指狀態變量圍繞穩態值波動時，通過局部線性化得到的環路模型。小信號環路是一種線性化等效，適用于穩定性分析²。圖3所示為從實現方法和行為過程兩個維度對小信號環路的分類。

3.2 附加控制、穩態拉入和行為改善

開關電源中的附加控制和穩態拉入技術多為非線性控制，這些方法用來提高電源系統的動態響應、穩定性和效率。非線性控制策略，可以更有效地應對系統中的非線性擾動³，實現精確的控制和快速的穩態響應。

3.3 結構變種

由圖2所示的非隔離開關電源一般電路結構可以演變出變種結構。這些變種為設計者提供了廣泛靈活的選擇，適應不同應用場景。

• 浮地輸出（用降壓開關電源產生負壓）；
• 雙向電源（調平電源，在兩個供電域間實現能量互傳）；
• 電荷泵（L接近0，僅有r_DCR起作用）；
• 預調整電荷泵（減少電感開關的工作應力，提高效率和減小開關成本預算）；
• 升壓電源；
• 升降壓電源（電感近B端增加斬波開關）；
• 四象限輸出電源；
• SEPIC/CUK電路（配合電荷泵作業）；
• 全諧振開關/準諧振開關；
• 多相協同/堆疊；
• 并聯諧振泵/串聯諧振泵；
• 諧振脈沖群。

3.4 啟動行為

設計良好的啟動行為對于增強電源的可靠性和延長其組件壽命至關重要，是開關電源設計的重要環節。啟動行為設計用于解決啟動階段中的問題，例如啟動過應力（啟動浪涌）、啟動導致輸入過載和啟動關聯電磁干擾，是電源功能完整性的一部分。以下是一些常規啟動行為：

• 輸出電壓緩起；
• 限輸出電流緩起；
• 對容性負載預充；
• 帶預偏啟動，即向之前已有其它供電來源的負載供電；
• 電壓單調啟動，即避免在啟動過程中因負載突然增加引起輸出電壓回鉤；
• 過載啟動，即短時間承受超過正常工作應力啟動；
• 輸出能力回退啟動，限制在負載異常時強行啟動。

3.5 保護

為了應對各種潛在的故障和異常情況，開關電源設計需要考慮保護自身或/和其所處的系統。保護功能監測和響應電源在運行過程中可能遇到的過應力狀況，通常包括：

• 輸入口/輸出口過壓；
• 輸入口/輸出口欠壓；
• 輸入輸出反置；
• 輸出過流；
• 片芯過熱；
• 輸出失控。

3.6 保護動作

當電源檢測到異常情況發生時，可能以不同行為應對。這些行為包括：

• 限制輸出電流；
• 降低輸出電壓；
• 停止工作并保持在關機狀態；
• 以一定頻次嘗試再啟動（打嗝）；
• 下調工作頻率或開關限流值（回退再啟動⁴）；
• 轉入回滯方式工作；
• 接近保護臨界告警；
• 記錄觸發進入保護狀態的條件（供系統查詢）；
• 可能影響系統安全而自熔斷開對系統的連接。

本文限于分類介紹，以分類對開關電源產品及其特性做寬泛概括。

¹開關電源調制環節涉及“導通”和“續流”兩個不一致的過程。利用“平均狀態”法可以把這兩個不一致的過程合并為一個，用其平均效果當作連續、單一的傳遞過程來處理。在接近開關頻率的高頻和系統狀態處于變化的臨界點時，平均狀態法可能無法有效反映系統行為。

²小信號條件下穩定是系統穩定的先決條件。

³負載的變化等效為電阻變化，是典型的非線性擾動。

⁴因過載觸發保護時立即調低開關頻率或者開關限流值形成正反饋，會立即導致輸出電壓進一步下跌。以頻率或者開關限流回退對盡可能維持系統工作不利。回退僅適用于以較低輸出能力安全重啟動。