峰值电流模式下的DC-DC开关电源次谐波振荡现象与深度剖析

在电源技术的研究领域，特别是在DC-DC开关电源的设计与优化中，峰电流模式是一种常见的控制策略。由于DC-DC开关电源因其体积小、重量轻、高效能和稳定性等特性，在电子、电器设备以及家电市场中得到广泛的应用，特别是在快速发展的现代电子产品中扮演着关键角色。这种电源采用功率半导体作为开关，通过精确控制开关的占空比来调节输出电压，以实现高效的能量转换。 电流模式控制是开关电源的核心，它在DC-DC转换器中占据主导地位，因为其具备诸多优点，如动态反应迅速、补偿电路简单、增益带宽宽广、输出电感小以及易于实现均流等。在电流模式控制中，又细分为峰值电流控制和平均电流控制。峰值电流控制的优势显著，包括快速的暂态闭环响应、适应性强的输入电压和负载变化、易于设计的控制环路、自动磁平衡功能以及瞬时峰值电流限流特性。 然而，高峰值电流模式并非没有挑战。一个重要的问题是，如果处理不当，可能会导致系统出现次谐波振荡现象。次谐波振荡是由于峰值电感电流的波动引发的，尤其在PWM调制的峰值电流模式开关电源中，当系统占空比超过50%时，电感电流在微小阶跃变化下会出现周期性放大，形成开关周期两倍的振荡，即次谐波。这会导致电流误差信号振荡发散，进而影响系统的稳定性。 为了深入理解次谐波振荡的产生，研究者通常会从不同角度对其进行分析，如图1所示的PWM调制峰值电流模式开关电源，以及图2和图3中展示的电感电流变化情况。通过对占空比的微小阶跃变化的影响，可以观察到电流误差信号的周期性和振荡特征。尽管文献中已有一些关于次谐波振荡的介绍，但当前的研究尚缺乏对次谐波振荡产生的原因及其具体电路实现的系统研究。 因此，对于DC-DC开关电源的峰值电流模式设计，理解和抑制次谐波振荡是至关重要的一步。这需要深入的理论分析，可能涉及谐振条件的计算、滤波器设计、反馈控制策略优化等方法。通过解决这一问题，可以提高电源的效率、稳定性和整体性能，推动开关电源技术的进一步发展。