摘要：開關電源中在動態負載的情況下為保持開關穩定，需要將電源系統設計在臨界模式下工作，本文中，以flyback拓撲結構為例，分析了臨界狀態產生的原理，并根據非連續模式和連續工作模式對應的極點和零點，提出了基于開關頻率調整的臨界模式控制器的設計，通過spice模擬，得到了相關結果，在此基礎上設計了應用臨界模式控制器的開關電源。

　　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[1]。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[2]。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[3]。

　　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”。

　　圖1 開關過程電流示意圖

　　(a)連續導通模式（ccm）電流波形示意圖

　　(b)非連續導通模式（dcm）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。

　　為了簡化分析，先進行如下假設[3]：

　　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：

　　vdd×n×d=v0×(1-d) （1）

　　由（1）可以得到：

　　（2）

　　圖2 確定臨界狀態電路示意圖

　　(a) flyback拓撲結構電路示意圖

　　(b) 次級線圈對應電壓波形示意圖

　　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[4]：

　　根據假設2，對上式積分可得：

　　根據假設3可得：

　　vin×il(平均)=i0×(vin×n+vout)

　　定義：

　　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：

　　表1 flyback拓撲不同模式對應極點、零點及電壓增益

　　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。

　　表1中fsw為開關頻率，vsaw對