前言
目前，系統中的開關電源具有兩種不同的工作模式，當電源處于導通狀態的時候，可以用不同的模式來描述環繞在電源扼流圈中的電流。本文以FLYBACK拓撲結構為例，按照其工作原理，可能工作在兩種不同的模式，但這兩種模式具有相同的功率容量，則對應這兩種不同的導通模式，在直流和交流情況下會有非常大的差別，而且組成電源的元器件會受不同程度的影響。根據眾多實驗結果的分析，可以看出眾多的離線式電源系統，為了提高系統的可靠性，降低對元器件等級的要求，一般都工作在非連續區域。
本文將首先介紹臨界模式控制原理，在分析兩種模式工作特點的基礎上，提出臨界模式控制的概念，并通過不同模式零、極點的分析，得出針對FLYBACK結構調整臨界模式的方案，提出整體電路系統設計，并給出模擬仿真結果。
臨界模式控制原理
圖1(a)和(b)示出幾個周期內轉換器線圈中流過電流的波形示意圖，從圖中可以看出，當處于導通狀態的時候，在電感中建立起來磁場，電流快速上升；而當關斷后，電感磁場快速下降，根據洛侖茲定律，在電感中建立起反向電動勢，在這種情況下，電流為了保持其電流連續性，必須找到其相應通路，并且電流開始減小，例如，在拓撲結構為FLYBACK的情況下，可以通過輸出網絡維持其電流，而在BUCK拓撲結構下，則通過續流二極管維持其電流。
如果在電流下降的周期內，在電流減至零之前，電路再次導通的話，如圖1(a)所示，稱為“連續導通模式”（CCM）。而如果當關斷時期內，由于線圈儲能比較有限，導致再次開通之前電流已經降為零，如圖1(b)所示，出現了一段“死區時間”，則對應的工作狀態稱為“非連續導通模式”（DCM）。死區時間有長有短，而如果將電路設置成這樣的工作狀態，就是當在關斷期間，電流一降到零，系統立即開啟，則對應的死區時間為零，對應的這種工作狀態稱為“臨界導通模式”。
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(a)連續導通模式（CCM）電流波形示意圖 |
目前總共有三種方法使電路進入臨界狀態：
確定出臨界狀態對應的電感值LC，但是當電感值LC確定后，在不同負載情況下，系統卻可能進入CCM模式，也可能進入DCM模式；
已知的某一個給定電感L情況下，通過確定負載的大小，使電路進入不同的模式；
將上述的電感和電阻等關鍵元器件的值都固定下來，通過開關頻率的調整，使電路進入臨界模式。
臨界模式控制器的設計
圖2所示FLYBACK拓撲結構的轉換器，通過對它的計算分析來進行進一步的解釋。
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(a) FLYBACK拓撲結構電路示意圖 |
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(b) 次級線圈對應電壓波形示意圖 |
為了簡化分析，先進行如下假設：
假設1：每周期內電感平均電壓降為0；
假設2：根據圖1(b)所示，當L=LC的時候，IL(平均)=1/2IP
假設3：電源功率具有100%的轉換效率，即Pin=Pout
采用上面假設1，可以確定出在CCM模式下的直流電壓轉換率，根據圖2(b)可以得到下列關系式：
根據圖1(b)可以看出，對應于臨界模式，意味著在導通狀態中，對線圈中存儲的能量會在下個周期開始的時候正好降為零，根據此判斷，可得：
根據假設2，對上式積分可得：
通過聯立上述方程，可確定出對應臨界狀態的關鍵元器件的大小：
以上確定了FLYBACK拓撲結構轉換器臨界模式對應的關鍵參數值，也可以確定出，在保證電源穩定和可靠的前提下，DCM模式和CCM模式對應的極點和零點也能夠確定出來。表1給出了不同操作模式下極點和零點的位置及對應的FLYBACK電壓增益。
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表1 FLYBACK拓撲不同模式對應極點、零點及電壓增益 |
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表1中FSW為開關頻率，VSAW對應PWM控制信號鋸齒波的幅度，LP為初級線圈電感。
根據表1，采用功率分析軟件Power 4-5-6進行模擬，對于100kHz頻率、電壓模式PWM控制器進行模擬分析，所得結果如圖3所示，其中圖3(a)所示為DCM模式下的高頻極點，圖3(b)所示為CCM模式下的高頻極點模擬結果。
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(a) CCM模式下的模擬結果； |
從圖3可以看出，DCM模式下，需要雙極點單零點的補償網絡，而CCM模式則需要雙極點雙零點的補償網絡，當在DCM模式下的極點和零點固定的情況下，CCM的二級極點將會對應于控制信號的占空比而發生變化。