摘要

本文基于此前發(fā)布的《開關電源架構及控制》一文，主要圍繞非隔離型電感開關電源穩(wěn)定控制的關鍵要素——小信號環(huán)路，展開詳細討論。文章梳理了模擬環(huán)路控制從滯環(huán)振蕩控制到微脈沖群δ-Σ控制的技術演進路徑，并闡釋了各項控制的內在機理與實現(xiàn)方式，旨在為相關領域的研究人員與技術工程師提供相應的信息參考。

1 小信號環(huán)路（開關電源控制環(huán)路）

開關電源通常由電力電子器件（如功率開關管和續(xù)流二極管）、驅動電路、PWM調制器以及補償放大單元等部分構成，如圖1所示。電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動態(tài)性能在很大程度上取決于反饋控制系統(tǒng)的設計，而小信號分析正是工程人員設計和優(yōu)化反饋控制環(huán)節(jié)的重要工具。盡管開關電源中包含如MOSFET和二極管等非線性器件，整體屬于非線性系統(tǒng)，但當其運行于某一穩(wěn)態(tài)工作點時，電路對小信號擾動的響應會呈現(xiàn)出近似線性系統(tǒng)的特性。因此，在研究該穩(wěn)態(tài)點附近的動態(tài)響應時，可將其近似作為線性系統(tǒng)處理。

小信號環(huán)路即指狀態(tài)變量圍繞穩(wěn)態(tài)值波動時，通過局部線性化得到的環(huán)路模型。小信號環(huán)路是一種線性化等效，適用于穩(wěn)定性分析*1 ，通過對小信號模型的分析，可以不斷優(yōu)化和改進系統(tǒng)的動態(tài)響應特性和抗干擾能力。圖 2 所示為從實現(xiàn)方法和行為過程兩個維度對小信號環(huán)路的分類。這里限定討論電源的小信號環(huán)路。

本文將按照從滯環(huán)振蕩控制到微脈沖群 δ-Σ 控制的演進路線對上圖中模擬環(huán)路下的控制行為進行闡釋。

在電源控制技術的演進歷程中，開關電源控制策略的發(fā)展以提升能效、優(yōu)化動態(tài)響應和增強系統(tǒng)穩(wěn)定性為核心目標，其路徑呈現(xiàn)了清晰的階段性與技術耦合性*2。滯環(huán)振蕩控制通過閾值比較直接驅動開關管通斷，憑借無需補償環(huán)路的極簡架構成為基礎方案，但其動態(tài)性能的局限性促使技術向精細化方向突破。隨后脈沖頻率調制PFM與脈寬調制PWM分化發(fā)展：PFM通過調節(jié)開關頻率降低輕載損耗，而PWM以固定頻率調節(jié)占空比提升穩(wěn)態(tài)精度；進一步地，PWM演化出電流模式控制分支，包括通過逐周期電感峰值電流檢測實現(xiàn)快速限流的峰值電流模式，以及引入電源平均值前饋補償以優(yōu)化抗擾能力的平均電流模式。針對PWM輕載開關損耗高的瓶頸，跳脈沖脈沖調頻PS-PFM通過將固定頻率開關切換為按需觸發(fā)的能量脈沖策略，在維持輕載高效率的同時顯著降低無效開關損耗。技術轉折點出現(xiàn)在滯環(huán)振蕩的進階應用——恒定導通時間控制COT，其通過固定導通時間與動態(tài)調節(jié)關斷時間的變頻邏輯，融合了滯環(huán)的快速響應與PWM的穩(wěn)定性優(yōu)勢，其衍生技術有D-CAP、QPWM*3等等。與此 COT 對應的是恒定關斷時間控制，通過固定關斷時間并動態(tài)調節(jié)導通時間實現(xiàn)變頻控制。最后，微脈沖群δ-Σ控制通過高精度時間數(shù)字轉換和δ-Σ調制算法，將離散開關脈沖動態(tài)編碼為具有連續(xù)能量傳輸特性的可控信號，可動態(tài)調節(jié)脈沖群密度，實現(xiàn)納秒級時間分辨率的功率精確調控。這一演進鏈條不僅體現(xiàn)了對能效、損耗與魯棒性的極致追求，更映射了電源控制技術從分立模塊到集成化系統(tǒng)、從經驗調諧到算法驅動的變革。

2 滯環(huán)振蕩

滯環(huán)振蕩控制是通過設定輸出電壓的上下閾值，直接控制開關管的通斷。當輸出電壓低于下限閾值（VREF-1/2VH）時導通開關管，向負載供電；當輸出電壓高于上限閾值（VREF+1/2VH）時關斷開關管，停止供電；輸出電壓在上下閾值之間震蕩，形成穩(wěn)定的滯環(huán)窗口 。

滯環(huán)控制沒有固定頻率，高輸入電壓時，電感充電快，開關頻率升高；低輸入電壓或重負載時，能量補充慢，開關頻率降低。其頻率狀態(tài)是不穩(wěn)定的，但通過強制電壓波動始終被限制在滯環(huán)窗口內而實現(xiàn)穩(wěn)壓。

3 脈沖頻率調制（PFM）

PFM 按參數(shù)約束條件可分為不固定與固定兩類。不固定 PFM 完全動態(tài)調節(jié)頻率、脈寬及峰值電流，其本質是滯環(huán)控制的表現(xiàn)形式；固定PFM通過約束關鍵參數(shù)脈寬或峰值電流簡化控制邏輯，其中固定脈寬PFM通過維持TON優(yōu)化瞬態(tài)響應，而固定峰值電流PFM則以IPEAK為基準實現(xiàn)內置保護。PFM還可以與其他控制方式配合優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)響應或降低開關損耗提升輕載效率，即當電源突加重載而主控制環(huán)路來不及響應時，可提前注入高頻脈沖序列或者增加峰值電流來提升系統(tǒng)的動態(tài)響應；當電源處于輕載狀態(tài)，在進入DCM狀態(tài)之前，可通過降低開關頻率來提升系統(tǒng)效率。

下文以固定脈寬PFM為例介紹其控制環(huán)路。固定脈寬PFM通過保持脈沖寬度恒定而動態(tài)調節(jié)開關頻率來實現(xiàn)電壓穩(wěn)定。如圖5所示，頻率調制器根據誤差放大器的輸出信號調整脈沖信號的頻率，當負載電流突增導致輸出電壓VOUT下降時，反饋電壓VFB減小，誤差放大器輸出增高，驅動頻率調制器提高開關頻率以增加電感充電次數(shù)；反之，負載電流降低時則減小開關頻率以減少電感充電次數(shù)，從而維持輸出電壓穩(wěn)定。

4 脈沖寬度調制（PWM）

PWM控制*4以固定開關頻率為前提，動態(tài)調節(jié)占空比來實現(xiàn)穩(wěn)壓。如圖6所示，PWM控制架構通過兩個分壓電阻采樣輸出電壓并與基準源VREF比較，當負載突增時，輸出電壓下降，反饋電壓VFB減小，誤差放大器輸出VC增高，PWM占空比增大，開關管導通時間延長，更多的能量傳輸至輸出，VOUT回升至設定值；當輸入電壓波動（如升高）或負載突降時，輸出電壓上升，反饋電壓VFB增大，誤差放大器輸出VC下降，PWM占空比減小，開關管導通時間縮短，能量輸入減少，進而VOUT維持穩(wěn)定。

5 電流模式脈寬控制

電流模式PWM 實際上是引入電流前饋的電壓反饋控制系統(tǒng)，通過電壓閉環(huán)負反饋穩(wěn)定輸出電壓，以便獲得良好的負載調整率；在電壓環(huán)內，通過電感電流前饋影響開關管導通時間（即環(huán)內前饋），以便提升系統(tǒng)動態(tài)響應。電流型控制器包括了峰值電流控制和平均電流控制。

5.1 峰值電流控制

對比于電壓模式PWM，峰值電流模式*5用電流信號替代了PWM中的RAMP信號，其電壓環(huán)為實控環(huán)，電流控制為前饋環(huán)。如圖7中電路所示，反饋電壓VFB與基準源VREF比較后輸出的誤差量VC決定電流峰值的限值，與代表電感電流峰值的VΣ進行比較（VΣ信號是在電感電流采樣信號VS中注入斜坡補償?shù)玫降模?當時鐘脈沖到來時，RS觸發(fā)器置1，上管Q1導通，VΣ隨電感電流增大，與VC相交時，RS觸發(fā)器置0，上管Q1關斷，VΣ隨電感電流減小，當下一個開關周期開始的時鐘脈沖到來時，如此反復。

峰值電流模式控制的特點是輸入電壓或負載變化均可在電感電流上反映出來，系統(tǒng)響應速度快，自動帶有輸入電壓的前饋補償功能，電壓調節(jié)性能好。但在連續(xù)導通模式（CCM）下，當占空比超過50%時，電路會出現(xiàn)次諧波振蕩問題，需要通過添加斜坡補償來消除。不過，斜坡補償會導致芯片的限流閾值隨占空比增大而降低，使得電源的輸出電流能力下降。此外，某些電路拓撲中，電感電流的峰值與平均電流并不完全對應，可能導致電流控制不夠精確。因此誕生了平均電流模式。

5.1.1 峰值電流限制

峰值電流限制主要作用是：實時監(jiān)測上管電流，當負載短路或控制失效導致電流超閾值時，立即終止當前導通周期，強制電流回落，避免功率器件因過流、過熱擊穿。

圖8展示了峰值電流限制的波形示意。T1期間轉換器以恒定負載電流穩(wěn)定工作；T2期間當出現(xiàn)調壓或者負載陡增時，轉換器為保證穩(wěn)定輸出會提升輸出電流，為了防止開關器件損壞設置限流值IP-lim，達到電流限值IP-lim后，導通時間被強制結束，電流下降至限值以下，下一周期重復此過程，直至T3期間轉換器再次以恒定負載電流穩(wěn)定工作。

5.1.2 谷值電流限制

谷值電流限制在開關電源中具有雙重關鍵作用：

一是保護功能，主要針對高輸入電壓/低輸出電壓的情況，電感電流下降斜率顯著減小。若開關管在電流未充分回落至安全水平前即再次導通（因為電流采樣需要時間），可能導致電流逐周期累積，峰值電流限制無法有效保護，最終引發(fā)開關管或電感過流損壞。谷值電流限制通過強制設定一個最低允許的谷值電流閾值（即關斷結束、再次導通前電感電流必須達到此值），確保電流在每個開關周期內都能有效復位，從而防止電流失控，這是一種安全保護機制。

另一個是Boost拓撲中的調節(jié)應用。在Boost變換器中，不用峰值電流限制，因為高壓差情況下電感電流的持續(xù)增長特性易導致峰值限制頻繁誤觸發(fā)，引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)；取而代之的是采用谷值電流限制，通過動態(tài)設定電感電流的最小谷值閾值，確保每個周期關斷時間（TOFF）內，電流可回落至安全基準（VOUT過低，降低最小谷值閾值，延長TON時間，增加充電；VOUT過高，抬高最小谷值閾值，縮短TON時間，減少充電）。當檢測到電流無法回落至最小谷值閾值（即逼近100%占空比）時，可插入最小關斷時間（TOFF_min），打破電感持續(xù)充電無泄放的死循環(huán)，避免輸出電壓崩潰與低頻振蕩。

5.2 平均電流控制

轉換器本身是一個LRC網絡，負載電阻的變化會直接影響網絡的頻率響應特性，進而影響電壓反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。由于負載電阻與電感平均電流存在對應關系，可通過實時監(jiān)測電感平均電流來間接獲取負載阻抗信息。當負載電阻較大（如開路）時，LRC 網絡響應遲緩，容易導致系統(tǒng)失穩(wěn)；而負載電阻較小時，網絡響應過快又可能引發(fā)振蕩。為此，將平均電流信號引入控制環(huán)路作為前饋參數(shù)，能夠動態(tài)調整補償器，使反饋環(huán)路的頻率響應始終與LRC主網絡匹配。這種基于電流檢測的自適應補償策略，有效解決了變負載條件下系統(tǒng)穩(wěn)定性與動態(tài)響應的優(yōu)化問題。

圖9為電流平均模式Buck電路和波形示意 ^[3]^ ，其在前饋環(huán)中引入了電流平均值。該控制架構中，輸出電壓誤差量VC與電感電流采樣信號VS經過電流誤差放大器進行積分放大，得到誤差信號VCA。VCA與鋸齒波比較，生成PWM信號驅動開關管。當負載加重時，輸出電壓VFB減小，誤差信號VC增大，進而使VCA增大。如圖9右側波形示意所示，VCA與鋸齒波進行比較，VCA增大（VCA’）導致PWM占空比增大，開關管導通時間變長，電感電流和輸出電壓因此上升，最終使系統(tǒng)恢復穩(wěn)定。

6 跳脈沖脈沖調頻（PS-PFM）

PS-PFM 包含兩個概念，Pulse-Skip和Power Saving。兩項技術的差異在于：Pulse-Skip在保持內部時鐘頻率不變的前提下，僅選擇性地跳過某些開關脈沖以減少輕載損耗，并能維持相位同步*6 ；而Power Saving 模式僅為一種省電策略，無法保證相位同步性。與 Pulse-Skip 對應的還有一種錯脈沖（即錯開脈沖）控制，其通過動態(tài)插入或跳過脈沖實現(xiàn)調節(jié)：輕載時跳過脈沖以減少開關損耗；重載時則插入脈沖滿足電流需求。為維持開關頻率恒定，插入脈沖后則需要考慮下次是否開啟脈沖。這種脈沖增減補償機制既解決了重載響應問題，又避免了頻率漂移，從而與 Pulse-Skip 的單純跳脈沖形成互補。

圖10是以Pulse-Skip 為例的 PS-PFM 控制 Buck 電路及波形示意（藍色虛線脈沖表示跳脈沖）。該控制模式保持恒定脈沖寬度（TON固定），僅動態(tài)調整脈沖間隔（TOFF），并且僅在輸出電壓跌落至閾值時觸發(fā)一次脈沖，否則保持休眠。

7 導通時間推定（COT）

導通時間推定，看起來像固定脈寬PFM（參見第3節(jié)），但核心差異在于COT的脈寬（導通時間）是基于輸入/輸出壓差推定出來的，而非固定不變。固定脈寬PFM的缺陷是輸入/輸出電壓變化時頻率會大幅漂移；而COT通過動態(tài)推定導通時間，將開關頻率約束在可控范圍內（但無法保持相位同步）。COT動態(tài)響應優(yōu)勢顯著：突然加重載時連續(xù)插入脈沖快速拉升電流，負載平衡后恢復穩(wěn)態(tài)頻率；突然減輕載時暫停脈沖輸出直至電壓回落（可能伴隨延遲）。COT控制在穩(wěn)態(tài)下因頻率波動受控則呈現(xiàn)出固定頻率的特性，并且其環(huán)路天然穩(wěn)定、響應速度極快?；诤愣▽〞r間（COT）控制原理，衍生出多種適用于不同場景的方案，比如：基于紋波電流控制的架構（如TI的 D-CAP2、D-CAP3、DCS），以及結合電感谷值電流的控制。

7.1 紋波COT控制

圖11 展示了基于紋波電流的COT控制原理。當反饋電壓VFB低于基準VREF時，比較器翻轉，RS觸發(fā)器置位，驅動上管Q1導通，電感電流隨之上升；直至恒定導通時間計時器溢出，觸發(fā)器復位，Q1關斷，電感電流下降。通過該循環(huán)機制實現(xiàn)對輸出電壓的調節(jié)。

該方案結構簡潔，兼具滯環(huán)控制的快速動態(tài)響應與近似固定的開關頻率。然而，其控制依賴于反映電感電流信息的輸出電壓紋波。因此通常需使用具備一定ESR的輸出電容，或需要額外注入人工紋波（Ripple Injection）。這也導致其在采用低ESR的陶瓷電容時電路設計復雜度增加。此外，由于缺乏誤差放大器提供直流穩(wěn)態(tài)誤差補償，輸出電壓精度受限。

7.2 V2-COT 控制*7

為改善紋波電流控制COT架構的輸出電壓精度問題，圖12展示了一種改進型V2-COT控制結構。該架構采用雙路反饋：一路將輸出電壓直接接入比較器，構成快速前饋通道，可迅速響應電壓變化，提升瞬態(tài)性能；另一路引入帶補償網絡的誤差放大器，用于校正輸出紋波引起的直流偏差，從而提高穩(wěn)態(tài)精度。

7.3 谷值電流COT控制

基于谷值電流的COT控制也是一種廣泛應用的控制策略。該方案首先將輸出電壓反饋VFB與基準電壓VREF進行比較，生成誤差信號VC，再將VC與電感電流采樣信號VS的谷值進行比較。當VS的谷值低于VC時，RS觸發(fā)器置位，驅動上管Q1導通，電感電流上升；在恒定導通時間結束后，Q1關斷，電感電流下降，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)壓。

由于直接采樣電感電流，該控制架構在保留COT控制的優(yōu)點時天然適用于多相并聯(lián)或均流應用場景。各相單元可共享同一誤差信號VC，從而實現(xiàn)電流的自均衡分配，顯著提升系統(tǒng)的輸出擴展性、熱分布性能及整體可靠性，尤其適用于大電流、多相電源場景。

8 斷開時間推定（COToff）

斷開時間推定COToff 亦稱CFT。CFT又具有雙重含義，即Constant Off Time（恒定關斷時間*8 ，與COT對應）和Constant Frequency Timing（固定頻率定時）。

Constant Frequency Timing 是以維持固定開關頻率為目標的改進型PWM控制策略。為實現(xiàn)這一目標，CFT在運行過程中動態(tài)調節(jié)導通時間（TON）， 圖14所示為基于峰值電流控制的CFT架構，該架構與7.3節(jié)的谷值電流COT控制互為對偶。誤差信號VC與電感電流采樣信號VS的峰值相交時關斷Q1。類似峰值電流控制但不需要額外的斜坡補償，TOFF的時長由Off-time Timer模塊決定，同時確保開關頻率能與系統(tǒng)基礎頻率同步，并優(yōu)化負載與輸入的瞬態(tài)響應性能。在應對輸出電壓深度跌落時，一方面CFT可以延長導通時間以提升能量傳輸；另一方面通過插入額外的補償脈沖來維持目標頻率，且仍能確保與基礎頻率同步。因此也是對固定頻率的Pulse skip-PFM的改進。

采用Constant Off Time 的主要原因在于提升穩(wěn)態(tài)頻率的精度與可控性。在輸入電壓較高而輸出電壓較低的應用場景（即占空比較?。┫拢瑐鹘y(tǒng)COT控制的關斷時間（TOFF）在開關周期中占據主導地位。此時，對導通時間（TON）的微小推定誤差會導致開關頻率出現(xiàn)顯著偏差（因為周期時長主要取決于TOFF）。固定關斷時間直接控制了周期中的主要分量，從而顯著改善了頻率預期的準確性。此外，CFT中導通時間不受固定限制的特性，使其在應對過載時能夠充分延長以提供所需的大電流。在極端過載或深度欠壓條件下，CFT可實現(xiàn)上管的持續(xù)導通（即接近或達到100%占空比），進入連續(xù)導通模式（CCM）——這是其相對于傳統(tǒng)COT（每個周期必須包含關斷時間，難以持續(xù)導通）的關鍵改進點。

9 微脈沖群δ-Σ控制

微脈沖群δ-Σ控制是針對高輸入/輸出壓差情況下對傳統(tǒng)控制策略敏感性過高問題的改進方案。在高壓差場景中，導通時間（TON）因壓差增大而顯著縮短，導致常規(guī)PWM控制的環(huán)路增益難以優(yōu)化（TON的微小調節(jié)會引發(fā)輸出電壓的劇烈波動）。有效的閉環(huán)調節(jié)需要依賴關斷時間（TOFF）內的狀態(tài)變化量進行反饋；當高壓差導致TON過短、TOFF內狀態(tài)變化不足以被可靠檢測時，傳統(tǒng)控制將失效。此時，微脈沖群機制被觸發(fā)，通過引入一組基于δ-Σ調制原理的高頻、低占空比脈沖序列（即微脈沖群），實現(xiàn)對能量的精細化遞送，從而顯著提升系統(tǒng)在極端降壓比條件下的穩(wěn)定性與抗擾性，是對COT架構在高壓差應用中的有效改進。

微脈沖群δ-Σ控制電路及波形示意如圖15所示，其融合了高精度δ-Σ調制與高效脈沖群管理技術。微脈沖群δ-Σ控制利用δ-Σ調制器將輸出電壓誤差信號VC轉換為高分辨率的脈沖密度調制信號DOUT；然后通過一個專用的微脈沖群合成器根據信號DOUT，結合系統(tǒng)狀態(tài)（如負載電流、輸入電壓、效率優(yōu)化目標、EMI要求等）， 動態(tài)地生成非連續(xù)的開關驅動信號，即“微脈沖群”。每個微脈沖群由一串脈寬極窄（納秒級）的脈沖組成，密集輸出于短暫的時間窗口內，這些脈沖的密度或數(shù)量直接映射了脈沖密度調制信號DOUT在該時間窗口內要求的平均占空比。在輸出一串微脈沖群后，合成器會強制進入一段靜默期，在這段時間內完全沒有開關動作，功率管保持關斷。

動態(tài)調節(jié)方式：當負載或誤差增大時，需要更高的平均功率輸出，合成器會增加微脈沖群的密度（即在Tburst_on內塞入更多微脈沖）、縮短群間靜默期（Tburst_off）或延長群持續(xù)時間（Tburst_on）； 當負載或誤差減小時，需要降低平均功率輸出或優(yōu)化效率和EMI，合成器會降低微脈沖群的密度、延長群間靜默期或縮短群持續(xù)時間。

注釋

*1小信號條件下穩(wěn)定是系統(tǒng)穩(wěn)定的先決條件。

*2一款產品不止使用一種控制方式，其可能是多種控制方案的疊加。例如圣邦微電子的SGM61020采用PWM(中等或重載)/ PS-PFM(輕載)兩種模式自動切換、SGM61230采用峰值電流模式PWM+PS-PFM模式。

*3D-CAP 是TI的電路級COT解決方案，通過技術優(yōu)化提升實用性;QPWM是Intel主導的系統(tǒng)級COT規(guī)范，定義硬件響應標準。二者均以基礎COT為原理核心。

*4圣邦微電子的SGM64104、SGM64200采用固定頻率電壓模式PWM控制。

*5圣邦微電子的SGM6061、SGM61180采用峰值電流模式控制。

*6電源中保持相位同步，可以防止電流超限，避免出現(xiàn)拍頻(beating)現(xiàn)象。

*7圣邦微電子的SGM61012、SGM61022采用的AHP-COT架構(圣邦專利)，通過內部自適應紋波注入技術，無需再依賴輸出電容ESR，實現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)V2-COT架構的優(yōu)良負載瞬態(tài)性能和輸出穩(wěn)壓精度。

*8圣邦微電子的SGM61061采用恒定關斷時間架構。