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開關(guān)DC-DC變換器恒頻定關(guān)斷時間控制技術(shù)研究

  (常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇常州  213164)

摘要:針對固定關(guān)斷時間( FOT)控制開關(guān)變換器開關(guān)頻率隨輸入輸出電壓波動、增加開關(guān)電源損耗、不利于EMI濾波器綜合設(shè)計等缺點,提出了一種基于輸入輸出電壓反饋調(diào)節(jié)的恒頻固定關(guān)斷時間( CF-FOT)控制技術(shù)。通過增加輸入輸出電壓反饋環(huán)路,使固定關(guān)斷時間隨輸入輸出電壓動態(tài)調(diào)整,以確保開關(guān)頻率恒定,從而消除了輸入輸出電壓波動對開關(guān)頻率的影響。PSIM仿真與實驗結(jié)果表明,CF-FOT控制技術(shù)具有良好的可行性,提升了原FOT控制開關(guān)變換器的性能。

0引言

  開關(guān)變換器作為開關(guān)電源的核心組成部分,其性能很大程度上取決于控制方式的選擇。傳統(tǒng)的PWM控制輕載效率低,動態(tài)響應(yīng)速度慢。脈沖頻率調(diào)制( pulse frequency modulation,PFM)技術(shù)雖然克服了前者的缺點,但變化的開關(guān)頻率也給后級濾波器設(shè)訃帶來了很大困難。

  固定關(guān)斷時間(fixed off-time,F(xiàn)OT)控制技術(shù)屬于PFM的一種。與PWM控制技術(shù)相比,穩(wěn)壓精度稍差,但具有更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度,不需要環(huán)路補償,且容易進行系統(tǒng)集成,然而其變化的開關(guān)頻率會引入開關(guān)噪聲,且不利于后級EMI濾波器的綜合設(shè)計,若不加以控制,嚴(yán)重的甚至?xí)䦟?dǎo)致開關(guān)頻率進入音頻范圍。本文在原FOT控制技術(shù)基礎(chǔ)上,增加了一個輸入輸出電壓反饋調(diào)節(jié)環(huán)路,抑制了開關(guān)頻率的變化,并通過PSIM仿真和電路實驗對分析結(jié)果加以驗證。

1  Buck變換器的CF-FOT控制技術(shù)

1.1 FOT控制Buck變換器

  固定關(guān)斷時間( FOT)控制技術(shù)為峰值電壓型控制技術(shù),其輸出電壓值始終小于參考電壓。與COT控制技術(shù)類似,其控制電路結(jié)構(gòu)較為簡單,僅由RS觸發(fā)器、關(guān)斷定時器( off-timer)和比較器組成。

  當(dāng)開關(guān)變換器輸出電壓瞬時值uo(t)到達參考電壓Uref時,比較器輸出Us為高電平窄脈沖電壓,RS觸發(fā)器Q端輸出UD為低電平電壓,開關(guān)管S關(guān)斷,uo開始下降。S的關(guān)斷時間由關(guān)斷定時器決定,當(dāng)固定關(guān)斷時間TOFF后,關(guān)斷定時器輸出UR為一個高電平窄脈沖電壓,使RS觸發(fā)器Q端UD為高電平電壓,S轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài),uo上升。當(dāng)uo上升到ref時,S再次關(guān)斷,進入下一個開關(guān)控制周期。

  FOT控制Buck變換器由關(guān)斷定時器決定TOFF,在Buck變換器的電路參數(shù)確定以后,TOFF將不會改變。

當(dāng)Buck變換器工作在電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式且處于穩(wěn)定狀態(tài)時,在—個開關(guān)周期內(nèi)控制脈沖的占空比D為:

式中:E為在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸入電壓;Uo為在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸出電壓。同時有:

從而可得固定關(guān)斷時間TOFF為:

式中:T為開關(guān)周期;f為開關(guān)頻率。當(dāng)Buck變換器的關(guān)斷時間固定為TOFF時,開關(guān)頻率,為:

  由式(4)可知,F(xiàn)OT控制Buck變換器的開關(guān)頻率與輸入輸出電壓及固定關(guān)斷時間有關(guān),隨輸入輸出電壓的波動而發(fā)生著變化。開關(guān)頻率的不確定性不僅不利于開關(guān)損耗的有效控制,也會給變換器輸出濾波器綜合設(shè)計帶來困難。

  圖1所示為FOT控制Buck變換器的電路原理圖及其穩(wěn)定工作時的時域波形圖。

1.2 CF-FOT控制器的原理與實現(xiàn)

  對于一個確定的FOT控制器,固定關(guān)斷時間TOFF一般是固定不變的。由式(4)不難看出,要使得FOT控制Buck變換器的開關(guān)頻率在輸入輸出電壓改變的情況下仍然保持恒定,其參數(shù)TOFF必須隨輸入輸出電壓的改變作動態(tài)調(diào)整,即輸入電壓增大時TOFF須相應(yīng)地延長,而輸出電壓增大時TOFF要相應(yīng)減小,反之則同理。根據(jù)這種思路,這里提出了一種基于輸入輸出電壓反饋調(diào)節(jié)的恒頻固定關(guān)斷時間( CF-FOT)控制技術(shù)。

  CF-FOT控制Buck變換器的電路原理圖如圖2(a)所示,它是由虛線框內(nèi)CF-FOT控制器和虛線框外Buck功率級主電路組成的。如圖2(b)所示的電路原理圖是所提出的可調(diào)關(guān)斷定時器,其參數(shù)TOFF跟隨輸入輸出電壓變化而調(diào)節(jié)變化。

  可調(diào)關(guān)斷定時器的電路實現(xiàn)方案如下。

  在原先的FOT控制器的關(guān)斷定時器中加入一個輸入輸出電壓檢測反饋環(huán),通過實時采樣Buck變換器的輸入輸出電壓,新的可調(diào)關(guān)斷定時器可以隨時作動態(tài)調(diào)整,以維持開關(guān)變換器的開關(guān)頻率恒定不變。在圖2(b)中,kUFB為受輸入電壓和輸出電壓控制的受控電流源,后為受控電流源比例系數(shù);開關(guān)S.控制定時電容C.的通斷,它受RS觸發(fā)器Q端輸出電平電壓UQ控制,當(dāng)UQ為低電平時,S1閉合,C1放電,反之則S.?dāng)嚅_,C1充電,充電時間決定了關(guān)斷定時器的定時時間。當(dāng)Buck變換器輸入輸出電壓有任何一個參數(shù)改變時,輸入輸出電壓反饋環(huán)路將會檢測到相應(yīng)的變化,最終將反饋電壓UFB傳送給控制器,受控電流源輸出電流隨輸入輸出電壓發(fā)生相應(yīng)的變化,控制器改變固定關(guān)斷時間,從而保持Buck變換器開關(guān)頻率的恒定。而當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時,由于CF-FOT控制器并沒有改變FOT控制器的基本原理,因此其控制的開關(guān)變換器同樣具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)。

  如圖2所示,CF-FOT控制Buck變換器比FOT控制多了一個輸入輸出電壓反饋環(huán)節(jié),當(dāng)輸出電壓瞬時值uo到達參考電壓U ref時,比較器輸出一個高電平窄脈沖電壓,RS觸發(fā)器Q端置位,功率開關(guān)管S關(guān)斷,uo下降,可調(diào)關(guān)斷定時器開始計時,此時定時電容C1兩端的電壓UC1從零開始上升,其數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

  直至UC1上升到設(shè)定的門限電壓UT時,關(guān)斷定時器輸出一個高電平窄脈沖電壓使得RS觸發(fā)器復(fù)位,關(guān)斷定時結(jié)束,C1進行瞬間放電,Ucl下降至零,此時變換器的主功率開關(guān)管S導(dǎo)通,uo開始上升。當(dāng)Buck變換器輸出電壓uo上升至ref時,開關(guān)管再次關(guān)斷,進入下一個開關(guān)控制周期。由CF-FOT控制器的基本原理可知,固定關(guān)斷時間TOFF是由定時電容端電壓Ucl從零上升到門限電壓設(shè)定值UT的時間決定的,即:

  由式(6)可以看出,CF-FOT控制器的參數(shù)TOFF是輸入輸出電壓的函數(shù)關(guān)系,是隨輸入輸出電壓變化而可調(diào)的。令式(6)和式(3)兩式相等,可得:

  由式(7)容易看出,CF-FOT控制Buck變換器的開關(guān)頻率f是恒定的,僅由CF-FOT控制器的電路設(shè)計參數(shù)所決定。由于CF-FOT控制器采用了輸入輸出電壓反饋環(huán)路,可調(diào)關(guān)斷定時器可以依據(jù)輸入輸出電壓的變化做出相應(yīng)調(diào)整,且從式(7)也不難看出開關(guān)頻率表達式中的分子分母中同時存在的輸入輸出電壓項,可以消除這些影響因子,從而始終維持FOT控制Buck變換器的恒頻工作狀態(tài)。

  此外,在采用CF-FOT控制技術(shù)進行Buck變換器電路設(shè)計時,一旦開關(guān)頻率f確定后,可調(diào)關(guān)斷定時器中受控電流源的受控系數(shù)k可以確定為:

2  CF-FOT控制Buck變換器電路仿真

  采用PSIM電路仿真軟件,通過建立仿真電路模型,進行FOT控制和CF-FOT控制的Buck變換器的時域波形仿真,并對仿真結(jié)果進行比較分析。

  設(shè)定FOT控制Buck變換器的參考電壓ref為5V,TOFF=5μs,仿真時域波形如圖3所示。

  當(dāng)E= 10 V時,開關(guān)導(dǎo)通時間TON=5μ,開關(guān)頻率f= 100 kHz,輸出電壓紋波AUo大致為25 mV;當(dāng)E突增至20 V時,F(xiàn)OT控制器的TON調(diào)整為1.67μ8,開關(guān)周期T從10μs降低至6.67μs,f增加至149 kHZ,但AUo保持不變。設(shè)定Uref=3.3 V,TOFF=5μs,如圖3(c)所示。當(dāng)E=10 V時,TON=2.46μs,f= 134 kHz;當(dāng)E突增至20 V時,TON=0.99μs,開關(guān)周期從7. 46μs降低至T=5.99 μS,,增加至167 kHz,輸出電壓紋波AUo保持在16 mV左右。從圖3中不難看出,對于FOT控制Buck變換器而言,無論輸入電壓或者輸出電壓哪一個發(fā)生改變,都會影響開關(guān)頻率的變化。

  電路仿真參數(shù)如表1所示,其中輸入電壓E和輸出電壓Uo為兩個可變參數(shù)。

  圖4為CF-FOT控制Buck變換器在輸入輸出電壓發(fā)生變化時的仿真波形。從圖4可以看出,當(dāng)Uref=5V時,在E=10V下有TOFF=5μs、TON=5μs,當(dāng)E增加至20 V時,CF-FOT控制器迅速將TOFF調(diào)整為7.5μs,TON調(diào)整為2.5 μS,開關(guān)周期保持10μs不變,即開關(guān)頻率保持在100 kHz。對于輸入電壓的突變,CF-FOT控制Buck變換器僅表現(xiàn)為輸出電壓紋波ΔU。的變化,其值從25 mV躍增至36 mV,調(diào)整時間大約在一個開關(guān)周期內(nèi),具有較快的瞬態(tài)響應(yīng)速度。而當(dāng)Uref=3.3 V時,在E=10 V下TOFF=6.7μs、TON=3.3μs,而在E=20 V下,TOFF和TON分別調(diào)整為8.35μ和1.65μs,開關(guān)周期保持恒定,AUo從22 mV躍增至26 mV。

  在FOT和CF-FOT兩種控制方法下,Buck變換器在不同的輸入輸出電壓時輸出電壓紋波AUo和開關(guān)頻率f的PSIM仿真結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

  由表2仿真數(shù)據(jù)可以看出,F(xiàn)OT控制Buck變換器的開關(guān)頻率與輸入輸出電壓的變化有關(guān)。而針對CF-FOT控制Buck變換器而言,其開關(guān)頻率始終保持恒定不變,這對于采用CF-FOT控制技術(shù)的開關(guān)電源輸出濾波器的綜合設(shè)計帶來了很大方便,同時也可有效控制開關(guān)噪聲及損耗。

  雖然CF-FOT控制Buck變換器的輸出電壓紋波會有一定的波動,但仍能滿足一般開關(guān)電源對輸出電壓調(diào)整精度的要求。

  圖5給出了FOT與CF-FOT控制Buck變換器在負(fù)載電流突變時輸出電壓的時域波形圖。為了驗證兩種控制技術(shù)的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性,在13. 05 ms時刻,負(fù)載電流Io(i。的平均值)由0.5 A升至1.0 A,由圖5可知,F(xiàn)OT與CF-FOT控制Buck變換器的調(diào)整過程大致相同,約為2個開關(guān)周期。在負(fù)載突變前后無論是何種控制方法,Buck變換器的開關(guān)頻率均不改變。需要說明的是CF-FOT控制Buck變換器的調(diào)整時間要略大于FOT控制Buck變換器,但CF-FOT控制技術(shù)依然具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性。

3  CF-FOT控制Buck變換器實驗驗證

  根據(jù)表1所示的電路參數(shù)和CF-FOT控制電路的基本原理,采用可編程電子負(fù)載作為恒流源,搭建了相應(yīng)的硬件實驗電路。基于此,可對基于輸入輸出電壓反饋調(diào)節(jié)的CF-FOT控制Buck變換器進行相應(yīng)的實驗驗證。圖6給出了CF-FOT控制Buck變換器在同一輸出,不同輸入電壓條件下的時域波形圖,其中圖6(a)、6(b)是10 V輸入電壓時的波形,圖6(c)、6(d)

是20 V輸入電壓下的波形,Δu。為輸出電壓紋波,UD是開關(guān)波形。

  對比圖6(b)和圖6(d)容易看出,在輸入電壓為10 V時,輸出電壓為5V,開關(guān)周期為10μs,固定關(guān)斷時間為5μs;而當(dāng)輸入電壓升至20 V時,雖然輸入電壓增大,但由于輸入輸出電壓反饋環(huán)作用,固定關(guān)斷時間自動調(diào)整為7.5μs,開關(guān)周期仍然維持10μs不變。這與PSIM仿真中的結(jié)果一致,進而驗證了CF-FOT控制技術(shù)的可行性。

  CF-FOT控制技術(shù)避免了FOT控制開關(guān)變換器開關(guān)頻率隨著輸入電壓變化而改變的缺點,使變換器始終保持在恒頻工作狀態(tài)。但需要說明的是,本文提出的CF-FOT控制技術(shù)在輸入輸出電壓確定的前提下,其關(guān)斷時間是固定的,并不會有任何變化,只是為了適應(yīng)FOT控制技術(shù)的寬輸入電壓及輸出電壓變化的應(yīng)用需求,可調(diào)關(guān)斷定時器才會自動調(diào)整固定關(guān)斷時間以保證開關(guān)變換器恒頻工作。

4結(jié)束語

  本文在研究傳統(tǒng)的固定關(guān)斷時間( FOT)控制技術(shù)基礎(chǔ)上,提出了一種基于輸入輸出電壓反饋調(diào)節(jié)的CF-FOT控制技術(shù),消除了FOT控制方法中開關(guān)頻率可變的不足。以工作在CCM的Buck變換器為例,對CF-FOT控制技術(shù)進行了理論分析、電路仿真和實驗研究。研究結(jié)果表明:通過實時采樣Buck變換器的輸入輸出電壓,CF-FOT控制技術(shù)可調(diào)整其固定關(guān)斷時間來維持開關(guān)頻率的恒定。這給開關(guān)DC-DC變換器濾波器綜合設(shè)計帶來了很大的方便,同時也可以有效地控制開關(guān)損耗。與現(xiàn)有的FOT控制技術(shù)相比,CF-FOT控制技術(shù)同樣具有優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)。值得注意的是,CF-FOT控制技術(shù)雖然保持了開關(guān)變換器的恒頻工作狀態(tài),但其輸出電壓紋波卻有微小的波動,但仍能滿足一般開關(guān)電源對輸出電壓調(diào)整精度的要求。PSIM電路仿真和實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

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