基于輸入電壓前饋補(bǔ)償?shù)拈_關(guān)變換器恒定導(dǎo)通時(shí)間控制技術(shù)

王金平 許建平 蘭燕妮 徐楊軍

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031）

1 引言

為實(shí)現(xiàn)高頻化、高效率、高功率因數(shù)以及良好的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）特性，開關(guān)變換器調(diào)制/控制技術(shù)的研究逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。開關(guān)變換器的調(diào)制方式主要有脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）、脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation, PFM）以及PWM和PFM混合調(diào)制。傳統(tǒng)PWM調(diào)制開關(guān)變換器的響應(yīng)速度慢，輕載效率低；PFM調(diào)制開關(guān)變換器雖然提高了輕載時(shí)的效率，但其變化的工作頻率，給濾波器的設(shè)計(jì)帶來了困難；混合調(diào)制模式電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[1-3]。因此，人們一直在探索新的控制方法。

恒定導(dǎo)通時(shí)間（Constant On-Time, COT）控制技術(shù)是一種在工業(yè)界中得到廣泛應(yīng)用的基于 PFM調(diào)制的技術(shù)[4-5]，它使開關(guān)變換器的功率開關(guān)管在一個(gè)固定的時(shí)間間隙內(nèi)導(dǎo)通，通過控制關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)控制信號占空比的調(diào)節(jié)，以維持輸出電壓的穩(wěn)定[6-8]。COT控制開關(guān)變換器具有瞬態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單[9]，無需誤差放大器等優(yōu)點(diǎn)。但是COT控制開關(guān)變換器的開關(guān)頻率隨著輸入電壓的變化而變化[10]，對EMI濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來困難。為了解決這一問題，本文提出了一種基于輸入電壓前饋補(bǔ)償?shù)腃OT（Input Voltage Feed-forward Compensated COT, IVFC-COT）控制技術(shù)。

IVFC-COT控制技術(shù)在 COT控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過引入輸入電壓前饋環(huán)，使固定導(dǎo)通時(shí)間受輸入電壓控制，即在輸入電壓變動(dòng)時(shí)通過調(diào)整固定導(dǎo)通時(shí)間，從而保持開關(guān)頻率恒定。IVFC-COT控制技術(shù)不僅繼承了COT控制環(huán)路設(shè)計(jì)簡單，無需誤差放大器，瞬態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，還能使開關(guān)頻率在輸入電壓或負(fù)載波動(dòng)時(shí)保持恒定。

2 COT控制及其改進(jìn)

2.1 COT控制原理

圖1所示為COT控制Buck變換器電路及其主要控制信號。從圖1可以看出，COT控制器由比較器，RS觸發(fā)器和導(dǎo)通定時(shí)器（On Timer）組成。

圖1 COT控制Buck變換器Fig.1 COT controlled Buck converter

COT控制Buck變換器的工作原理為：變換器輸出電壓Vo與基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電壓Vo低于Vref時(shí)，比較器輸出高電平，RS觸發(fā)器置位，其Q輸出高電平，功率開關(guān)管S導(dǎo)通，輸出電壓上升；開關(guān)管導(dǎo)通固定導(dǎo)通時(shí)間 TON后，導(dǎo)通定時(shí)器使觸發(fā)器復(fù)位，開關(guān)管S關(guān)斷，輸出電壓下降，當(dāng)輸出電壓下降到 Vref時(shí)，開關(guān)管再次導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。

COT控制的固定導(dǎo)通時(shí)間 TON由導(dǎo)通定時(shí)器決定，一旦設(shè)計(jì)確定后，固定導(dǎo)通時(shí)間TON將不再變化。

當(dāng) Buck變換器工作在電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式（Continuous Conduction Mode, CCM）時(shí)，其輸出輸入電壓傳輸比為

式中，D為控制脈沖占空比。

從而可得導(dǎo)通時(shí)間T 為

式中，fS為開關(guān)頻率，fS=1/TS。

當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間固定為TON時(shí)，開關(guān)頻率為

由式（3）可知，COT控制Buck變換器開關(guān)頻率與輸入電壓成反比。因此，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，為維持輸出電壓穩(wěn)定，控制器將調(diào)整功率開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間，即開關(guān)頻率隨輸入電壓的變化而變化，這將給濾波器的設(shè)計(jì)帶來困難。

2.2 IVFC-COT控制技術(shù)

為了解決 COT控制開關(guān)變換器的開關(guān)頻率隨輸入電壓的變動(dòng)而變動(dòng)的問題，提出了 IVFC-COT控制技術(shù)。

IVFC-COT控制框圖如圖 2a所示，它在 COT控制的基礎(chǔ)上，引入輸入電壓前饋環(huán)，作用于導(dǎo)通定時(shí)器，使導(dǎo)通定時(shí)器的導(dǎo)通時(shí)間隨輸入電壓的變動(dòng)而變動(dòng)，從而在保持開關(guān)頻率恒定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。IVFC-COT控制與COT控制的工作過程基本一致，只有當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，兩者才呈現(xiàn)出差異。

IVFC-COT控制器中的導(dǎo)通定時(shí)器框圖如圖2b所示，其中 gVin為受輸入電壓 Vin控制的受控電流源，g為受控系數(shù)；S2為受RS觸發(fā)器端控制的開關(guān)，當(dāng)Q為高電平時(shí)，S2閉合，否則S2斷開。當(dāng)變換器輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，受控電流源電流相應(yīng)發(fā)生變化，并改變固定導(dǎo)通時(shí)間，從而維持開關(guān)頻率恒定。而當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，IVFC-COT與COT控制的工作過程一樣，這里不再贅述。

圖2 IVFC-COT控制Buck變換器Fig.2 IVFC-COT controlled Buck converter

對于圖2所示IVFC-COT控制Buck變換器，當(dāng)輸出電壓Vo降至參考電壓 Vref時(shí)，RS觸發(fā)器置位，主功率開關(guān)管導(dǎo)通，導(dǎo)通定時(shí)器中開關(guān)S2斷開，電容C1端電壓VC1從零開始線性上升，可表示為

當(dāng)VC1上升至門限電壓VTon時(shí)，RS觸發(fā)器復(fù)位，Buck變換器的功率開關(guān)管關(guān)斷，輸出電壓下降，開關(guān) S2閉合，電容電壓 VC1下降到零；當(dāng) Buck變換器輸出電壓下降到 Vref時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期。由上面的描述可知，電容電壓 VC1由零上升至門限電壓VTon所需的時(shí)間決定了固定導(dǎo)通時(shí)間TON，即

從式（5）可以看出，IVFC-COT控制的導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓成反比，輸入電壓越高，導(dǎo)通時(shí)間越短。

令式（5）等于式（2），可得

式（6）給出了IVFC-COT控制Buck變換器的開關(guān)頻率與電路參數(shù)之間的關(guān)系。

對于IVFC-COT，從式（6）可以看出，由于輸入電壓前饋環(huán)路的作用，使得等式右側(cè)分子分母中同時(shí)存在輸入電壓項(xiàng)，因此消除了輸入電壓的影響，從而使得開關(guān)頻率與輸入電壓無關(guān)，解決了 COT控制開關(guān)頻率隨輸入電壓變化而變化的缺點(diǎn)。

此外，在進(jìn)行IVFC-COT控制 Buck變換器設(shè)計(jì)時(shí)，一旦開關(guān)頻率fS選定后，導(dǎo)通定時(shí)器中受控電流源的受控系數(shù)g可以由下式確定

3 仿真和實(shí)驗(yàn)研究

3.1 時(shí)域仿真

為了驗(yàn)證IVFC-COT控制技術(shù)的可行性及控制性能，采用Pspice仿真軟件對IVFC-COT控制CCM Buck變換器電路進(jìn)行仿真，并與具有相同主電路參數(shù)的COT控制Buck變換器進(jìn)行對比。仿真參數(shù)如表所示。

表 IVFC-COT Buck變換器電路參數(shù)Tab. The parameters of the IVFC-COT Buck converter

當(dāng)輸入電壓在1ms處由10V突變至20V時(shí)，COT和IVFC-COT控制Buck變換器輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)如圖3所示，其中COT控制和IVFC-COT控制在 10V輸入電壓條件下的固定導(dǎo)通時(shí)間相同（2.5μs）。當(dāng)輸入電壓突變至20V時(shí)，COT控制的固定導(dǎo)通時(shí)間維持不變，仍然為2.5μs，它通過降低開關(guān)頻率以減小控制信號的占空比，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)；而IVFC-COT控制則通過輸入電壓前饋環(huán)的作用，在維持開關(guān)頻率不變的情況下，使固定導(dǎo)通時(shí)間減小至1.25μs，從而減小控制信號的占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。從圖3可以看出，當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，COT控制Buck變換器的開關(guān)頻率降低，導(dǎo)致輸出電壓紋波的增大；而 IVFC-COT控制 Buck變換器的開關(guān)頻率保持恒定，因此具有比 COT控制更小的輸出電壓紋波。此外，從圖 3還可以看出，COT控制和IVFC-COT控制Buck變換器的輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)速度非常快，都僅需要一個(gè)開關(guān)周期的調(diào)整時(shí)間就達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。

圖3 輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)仿真圖Fig.3 Simulation results of input voltage transient response

圖4示出了COT和IVFC-COT控制Buck變換器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真圖。從圖4可以看出，當(dāng)負(fù)載電流在 1.2ms處由 0.5A突變至 1A時(shí)，COT和IVFC-COT控制Buck變換器具有相同的調(diào)節(jié)過程。此外，從圖中還可以看出，負(fù)載突變前后，無論COT控制還是IVFC-COT控制，變換器工作頻率均保持恒定。

圖4 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真圖Fig.4 Simulation results of load transient response

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用表所示電路參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對IVFC-COT控制Buck變換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5給出了IVFC-COT控制Buck變換器在輸入電壓為10V和20V時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中Vin、VD和ΔVo分別為輸入電壓、續(xù)流二極管陰極電壓和輸出電壓紋波。對比圖5a和圖5b可以看出，盡管輸入電壓發(fā)生明顯變化，但固定導(dǎo)通時(shí)間的改變使得系統(tǒng)的工作頻率保持恒定，與仿真結(jié)果一致，進(jìn)而驗(yàn)證IVFC-COT控制技術(shù)的可行性。

圖5 不同輸入電壓時(shí)IVFC-COT控制Buck變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Waveforms of the modified COT controlled converter under different input voltages

圖6為輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)輸入電壓突然由20V降至10V時(shí)，輸出電壓的變化僅表現(xiàn)為紋波的增加，幾乎沒有調(diào)節(jié)過程，從而驗(yàn)證IVFC-COT控制技術(shù)具有快速的輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)速度。

圖6 輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of input voltage transient response

圖7給出了負(fù)載電流Io在0.5A到1A之間發(fā)生周期性變化時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與輸入電壓瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，負(fù)載電流發(fā)生突變時(shí)，輸出電壓也僅表現(xiàn)為紋波的增大，幾乎沒有調(diào)節(jié)過程，從而驗(yàn)證IVFC-COT控制技術(shù)具有快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度。

圖7 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of load transient response

4 結(jié)論

IVFC-COT控制技術(shù)通過引入輸入電壓前饋，使輸入電壓直接控制導(dǎo)通定時(shí)器，使固定導(dǎo)通時(shí)間與輸入電壓相關(guān)，以此保持開關(guān)頻率的恒定。IVFC-COT控制具有COT控制瞬態(tài)響應(yīng)速度快，控制環(huán)路設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，并解決了COT控制開關(guān)頻率隨輸入電壓變化而改變的缺點(diǎn)，從而降低了濾波器的設(shè)計(jì)難度。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了 IVFC-COT控制技術(shù)的可行性。

[1]羅萍, 熊富貴, 張波等. PSM開關(guān)變換器的平均模型與特性分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào). 2005 , 20 (3)： 19-23.

Luo Ping, Li Zhaoji, Xiong Fugui, et al. Average mode of PSM switching converter and analysis of its characteristics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2005, 20(3): 19-23.

[2]Hamamura S, Kurose D, Ninomiya T, et al. New control method of piezoelectric transformer converter by PWM and PFM for wide range of input voltage[C].Proceedings of the IEEE Power Electronics Congress, 2000: 3-8.

[3]Hamamura S, Kurose D. Piezoelectric transformer AC-DC converter over a worldwide range of input voltage by combined PWM and PFM control[C]. Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2001：416-421.

[4]Wong L K, Man T K. LM3102 demonstration board reference design[S]. AN-1646, National Semiconductor,2007.

[5]LM2696 3A, Constant on time buck regulator,national semiconductor[S]. Data Sheet of Chip LM2696, 2005.

[6]Ridley R B. A new continuous-time model for current-mode control with constant frequency,constant on-time, and constant off-time, in CCM and DCM[C]. Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1990: 382-389.

[7]Hong S S, Choi B. Technique for developing averaged duty ratio model for DC-DC converters employing constant on- time control[J]. Electronics Letters, 2000,36(5): 397-1992．

[8]Wong L K, Man T K. Maximum frequency for hysteretic control COT buck converters[C].Proceedings of the IEEE Conference on Power Electronics and Motion Control. 2008: 475-478.

[9]沈霞, 王洪誠, 方瑋. 基于恒定導(dǎo)通時(shí)間的 V2控制方法研究[J]. 電測與儀表, 2009, 46(527): 72-76.

Shen Xia, Wang Hongcheng, Fang Wei. Research of the V2control method based on constant on time[J].Electrical Measurement and Instrumentation, 2009,46(527): 72-76.

[10]Xu X R, Wu X B, Yan X L. A quasi fixed frequency constant on time controlled boost converter[C].Proceedings of the IEEE Symposium on Circuits and Systems, 2008: 2206-2209.