开关电源为什么这么多控制模式?天天出新,卷生卷死的,学起来无止境,用起来因不熟练又像处处被掣肘。
因为市场不喜欢一刀切,喜欢个性化,于是半导体设计公司会针对细分市场,根据产品需求进行差异化设计,以期在激烈的市场竞争中获取优势。
开关电源控制方式,一开始并不是现在常见的电压控制模式(VMC)、电流控制模式(CMC)、COT模式等等,而是一种古老的、叫做滞环控制的方式。

滞环控制,Hysteretic Control,也称迟滞控制、Bang-Bang控制、乒乓控制,是一种简单、成本较低的控制方案。目前在电源上用的不多,却是COT等方案的武学根基,此外在某些控制场景中仍然很有用,比如双门限恒温控制等。
基本原理
滞环控制本质上是一个滞回比较器,它直接将输出电压与参考电压(基准电压)进行比较。
滞回比较器形成两个门限(VH和VL),一旦输出电压超出该窗口,控制器立即驱动开关管动作,不涉及时钟频率、斜坡信号等乱七八糟的东东。
可见其本质是一种基于输出电压的闭环反馈控制,但不依赖于固定的开关频率,而是由输出电压的偏差决定开关动作。

如上图,以Buck为例,在基准电压Vref和滞环窗口ΔV的作用下,形成了两个门限:
- 上限:𝑉𝑟𝑒𝑓 + Δ𝑉/2,当Vout高于上限,则MOS关断,续流二极管工作,电感电流下降;
- 下限:𝑉𝑟𝑒𝑓 - Δ𝑉/2,当输出电压Vout低于下限时,MOS导通,电感电流上升,给输出电容充电。
于是输出电压在窗口内波动,一高就关断,一低就开启,像乒乓球一样乒乒乓乓的
关键特点
理解了其架构后,便不难看出它的特点:
1、无固定频率
首先是无固定频率,其开关频率随输入电压、负载电流、滞环宽度ΔV等因素动态变化。
- 负载越重,频率越高;
- ΔV越小,频率越高;
- 输入电压越高,频率越高;
- 电感L或电容Cout越小,频率越高。
虽然没有固定频率,但我们可以用平均频率来表征频率,平均频率越高,开关损耗越大。
2、较快的瞬态响应
因为无需等待时钟边沿,电压一旦超出窗口便立即响应,就像一言不合就开干,适合负载瞬变的场景,如CPU/GPU等的供电。
3、结构简单
仅需一个滞回电路,无需振荡器、误差放大器、斜坡补偿、其他补偿网络,像一个简单的小窝,无需豪华装修即可舒服入住。
但滞环控制的缺点也很明显:
- 开关频率不固定,将导致频谱分散,EMI设计困难;
- 输出电压波动明显,因此纹波较大;
- 在极轻载时开关频率高,所以轻载效率可能较低;
- 对输出端的噪声敏感。
为克服传统滞环控制的缺点,业界发展出多种改进方案,如大名鼎鼎的恒定导通时间(COT, Constant On-Time)控制等,接下来再专门讲讲。