由于稳态时
=0，
=0，由式（8）得稳态方程为iL=Uo/Ro。
这说明稳态时电感电流平均值全部流过负载。
对式（8）中各变量附加小信号波动量得
iL＋
＋ReC
=
〔Uo＋
＋CRo
〕（9）
式（9）减式（8）得
＋ReC
=
（
＋CRo
）（10）
将式（10）进行拉氏变换得
（s）=
（11）
一般认为在开关频率的频带范围内输入电压是恒定的，即可假设
=0并将其代入式（5），将式（5）进行拉氏变换得
sL
（s）=d（s）Uin－
（s） （12）
由式（11），式（12）得
=Uin
（13）
=
·
（14）
式（13），式（14）便为Buck电路在电感电流连续时的控制－输出小信号传递函数。
2 电压模式控制（VMC）
电压模式控制方法仅采用单电压环进行校正，比较简单，容易实现，可以满足大多数情况下的性能要求，如图2所示。
图2中，当电压误差放大器（E/A）增益较低、带宽很窄时，Vc波形近似直流电平，并有
D=Vc/Vs（15）
d=
/Vs（16）
式（16）为式（15）的小信号波动方程。
整个电路的环路结构如图3所示。
图3没有考虑输入电压的变化，即假设
=0。
图3中，
（一般为0）及
分别为电压给定与电压输出的小信号波动；KFB=UREF/Uo，为反馈系数；误差e为输出采样值偏离稳态点的波动值，经电压误差放大器KEA放大后，得
；KMOD为脉冲宽度调制器增益，KMOD=d/
=1/Vs；KPWR为主电路增益，KPWR=
/d=Uin；KLC为输出滤波器传递函数，KLC=
。
图2 电压模式控制示意图和相关波形
图3 开关电源的电压模式控制反馈环路图
在已知环路其他部分的传递函数表达式后，即可设计电压误差放大器了。
由于KLC提供了一个零点
和两个谐振极点
，因此，一般将E/A设计成PI调节器即可，KEA=KP（1＋ωz/s）。
其中ωz用于消除稳态误差，一般取为KLC零极点的1/10以下；KP用于使剪切频率处的开环增益以－20dB/十倍频穿越0dB线，相角裕量略小于90°。
VMC方法有以下缺点：
1）没有可预测输入电压影响的电压前馈机制，对瞬变的输入电压响应较慢，需要很高的环路增益；
2）对由L和C产生的二阶极点（产生180°的相移）没有构成补偿，动态响应较慢。
VMC的缺点可用下面将要介绍的CMC方法克服。
3 平均电流模式控制（Average CMC）
平均电流模式控制含有电压外环和电流内环两个环路，如图4所示。
电压环提供电感电流的给定，电流环采用误差放大器对送入的电感电流给定（Vcv）和反馈信号（iLRs）之差进行比较、放大，得到的误差放大器输出Vc再和三角波Vs进行比较，最后即得控制占空比的开关信号。
图4中Rs为采样电阻。
对于一个设计良好的电流误差放大器，Vc不会是一个直流量，当开关导通时，电感电流上升，会导致Vc下降；开关关断，电感电流下降时，会导致Vc上升。
电流环的设计原则是，不能使Vc上升斜率超过三角波的上升斜率，两者斜率相等时就是最优。
原因是：
如果Vc上升斜率超过三角波的上升斜率，会导致Vc峰值超过Vs的峰值，在下个周波时Vc和Vs就可能不会相交，造成次谐波振荡。
图4 开关电源平均电流模式控制示意图
采用斜坡匹配的方法进行最优设计后，PWM控制器的增益会随占空比D的变化而变，如图5所示。
图5 PWM控制器增益与占空比变化关系图
当D很大时，较小的Vc会引起D较大的改变，而D较小时，即使Vc变化很大，D的改变也不大，即增益下降。
所以有
d=D
/Vs（17）
不妨设电压环带宽远低于电流环，则在分析电流环时Vcv为常数。
当Vc的上升斜率等于三角波斜率时，在开关频率fs处,电流误差放大器的增益GCA为
GCA
=GCA（Vo/L）Rs=Vsfs（18）
GCA=
/（
Rs）=VsfsL/（UoRs）（19）
高频下，将式（14）分子中的“1”和分母中的低阶项忽略，并化简，得
（s）=
（20）
由式（17）及式（20）有
=
=
（21）
将式（19）与式（21）相乘，得整个电流环的开环传递函数为
·
=
（22）
将s=2πfc代入上式，并令上式等于1时，可得环路的剪切频率fc=fs/（2π）。
因此，可将电流环等效为延时时间常数为一个开关周期的纯惯性环节，如图6所示。
图6 电流环的传递函数示意图
显然，当电流误差放大器的增益GCA小于最优值时，电流响应的延时将会更长。
GCA中一般要在fs处或更高频处形成一个高频极点，以使fs以后的电流环开环增益以－40dB/dec的斜率下降，这样虽然使相角裕量稍变小，但可以消除电流反馈波形上的高频毛刺的影响，提高电流环的抗干扰能力。
低频下一般要加一个零点，使电流环开环增益变大，减小稳态误差。
整个环路的结构如图7所示。
其中KEA，KFB定义如前。
可见相对VMC而言（参见图3），平均CMC消除了原来由滤波电感引起的极点（新增极点fs很大，对电压环影响很小），将环路校正成了一阶系统,电压环增益可以保持恒定，不随输入电压Vin而变，外环设计变得更加容易。
图7 电压外环反馈环路图
4 峰值电流模式控制（Peak CMC）
平均CMC由于要采样滤波电感的电流，有时显得不太方便，因此，实践中经常采用一种变通的电流模式控制方法，即峰值CMC，如图8所示。
电压外环输出控制量（Vc）和由电感电流上升沿形成的斜坡波形（Vs）通过电压比较器进行比较后，直接得到开关管的关断信号（开通信号由时钟自动给出），因此，电压环的输出控制量是电感电流的峰值给定量，由电感电流峰值控制占空比。
图8 峰值电流模式控制示意图
峰值CMC控制的是电感电流的峰值，而不是电感电流（经滤波后即负载电流），而峰值电流和平均电流之间存在误差，因此，峰值CMC性能不如平均CMC。
一般满载时电感电流在导通期间的电流增量设计为额定电流的10％左右，因此，最好情况下峰值电感电流和平均值之间的误差也有5％，负载越轻误差越大，特别是进入不连续电流（DCM）工作区后误差将超过100％，系统有时可能会出现振荡现象。
在剪切频率fc以下，由图6可知平均CMC的电流环开环增益可升到很高（可以>1000），电流可完全得到控制，但峰值CMC的电流环开环增益只能保持在10以内不变（峰值电流和平均值之间的误差引起），因此，峰值CMC更适用于满载场合。
峰值CMC的缺点还包括对噪音敏感，需要进行斜坡补偿解决次谐波振荡等问题。
但由于峰值CMC存在逐周波限流等特有的优点，且容易通过脉冲电流互感器等简单办法复现电感电流峰值，因此，它在Buck电路中仍然得到了广泛应用。
5 结语
采用平均状态方程的方法可以得到Buck电路的小信号频域模型，并可依此进行环路设计。
电压模式控制、平均电流模式控制和峰值电流模式控制方法均可用来进行环路设计，各有其优缺点，适用的范围也不尽相同。
作者简介
万山明，男，1998年华中科技大学博士毕业，长期从事高频开关电源、变频器等产品的开发和技术研究工作。
吴芳，女，华中科技大学在读博士研究生。
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