摘要：开关电源中在动态负载的情况下为保持开关稳定，需要将电源系统设计在临界模式下工作，本文中，以flyback拓扑结构为例，分析了临界状态产生的原理，并根据非连续模式和连续工作模式对应的极点和零点，提出了基于开关频率调整的临界模式控制器的设计，通过spice模拟，得到了相关结果，在此基础上设计了应用临界模式控制器的开关电源。

　　目前，系统中的开关电源具有两种不同的工作模式，当电源处于导通状态的时候，可以用不同的模式来描述环绕在电源扼流圈中的电流[1]。本文以flyback拓扑结构为例，按照其工作原理，可能工作在两种不同的模式，但这两种模式具有相同的功率容量，则对应这两种不同的导通模式，在直流和交流情况下会有非常大的差别，而且组成电源的元器件会受不同程度的影响[2]。根据众多实验结果的分析，可以看出众多的离线式电源系统，为了提高系统的可靠性，降低对元器件等级的要求，一般都工作在非连续区域。

　　本文将首先介绍临界模式控制原理，在分析两种模式工作特点的基础上，提出临界模式控制的概念，并通过不同模式零、极点的分析，得出针对flyback结构调整临界模式的方案，提出整体电路系统设计，并给出模拟仿真结果。

　　临界模式控制原理

　　图1(a)和(b)示出几个周期内转换器线圈中流过电流的波形示意图，从图中可以看出，当处于导通状态的时候，在电感中建立起来磁场，电流快速上升；而当关断后，电感磁场快速下降，根据洛仑兹定律，在电感中建立起反向电动势，在这种情况下，电流为了保持其电流连续性，必须找到其相应通路，并且电流开始减小，例如，在拓扑结构为flyback的情况下，可以通过输出网络维持其电流，而在buck拓扑结构下，则通过续流二极管维持其电流[3]。

　　如果在电流下降的周期内，在电流减至零之前，电路再次导通的话，如图1(a)所示，称为“连续导通模式”（ccm）。而如果当关断时期内，由于线圈储能比较有限，导致再次开通之前电流已经降为零，如图1(b)所示，出现了一段“死区时间”，则对应的工作状态称为“非连续导通模式”（dcm）。死区时间有长有短，而如果将电路设置成这样的工作状态，就是当在关断期间，电流一降到零，系统立即开启，则对应的死区时间为零，对应的这种工作状态称为“临界导通模式”。

　　图1 开关过程电流示意图

　　(a)连续导通模式（ccm）电流波形示意图

　　(b)非连续导通模式（dcm）电流波形示意图

　　目前总共有三种方法使电路进入临界状态：

　　·确定出临界状态对应的电感值lc，但是当电感值lc确定后，在不同负载情况下，系统却可能进入ccm模式，也可能进入dcm模式；

　　·已知的某一个给定电感l情况下，通过确定负载的大小，使电路进入不同的模式；

　　·将上述的电感和电阻等关键元器件的值都固定下来，通过开关频率的调整，使电路进入临界模式。

　　临界模式控制器的设计

　　图2所示flyback拓扑结构的转换器，通过对它的计算分析来进行进一步的解释。

　　为了简化分析，先进行如下假设[3]：

　　假设1：每周期内电感平均电压降为0；

　　假设2：根据图1(b)所示，当l=lc的时候，il(平均)=1/2ip

　　假设3：电源功率具有100%的转换效率，即pin=pout

　　采用上面假设1，可以确定出在ccm模式下的直流电压转换率，根据图2(b)可以得到下列关系式：

　　vdd×n×d=v0×(1-d) （1）

　　由（1）可以得到：

　　（2）

　　图2 确定临界状态电路示意图

　　(a) flyback拓扑结构电路示意图

　　(b) 次级线圈对应电压波形示意图

　　根据图1(b)可以看出，对应于临界模式，意味着在导通状态中，对线圈中存储的能量会在下个周期开始的时候正好降为零，根据此判断，可得[4]：

　　根据假设2，对上式积分可得：

　　根据假设3可得：

　　vin×il(平均)=i0×(vin×n+vout)

　　定义：

　　通过联立上述方程，可确定出对应临界状态的关键元器件的大小：

　　表1 flyback拓扑不同模式对应极点、零点及电压增益

　　以上确定了flyback拓扑结构转换器临界模式对应的关键参数值，也可以确定出，在保证电源稳定和可靠的前提下，dcm模式和ccm模式对应的极点和零点也能够确定出来。表1给出了不同操作模式下极点和零点的位置及对应的flyback电压增益。

　　表1中fsw为开关频率，vsaw对