改進(jìn)COT控制的DC-DC Buck變換器設(shè)計(jì)

項(xiàng) 維，魏紅兵，李春艷，陳紅光，雷 磊，蔡 東

（1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司 潼南供電分公司，重慶 402660；2.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引 言

開關(guān)電源因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率小以及效率高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中。DC-DC變換器作為開關(guān)電源中的重要組成部分，其在不同條件下可以有不同的控制模式、調(diào)制方式以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，且控制技術(shù)的選擇決定了開關(guān)電源在不同環(huán)境下的可靠性[1]。近年來，DC-DC變換器朝著高集成度、高轉(zhuǎn)換效率、高控制精度、低噪聲、小型化以及高頻化的方向發(fā)展[2]。

變換器的控制技術(shù)主要分為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）和脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，PFM）。恒定導(dǎo)通時(shí)間（Constant On-Time，COT）控制方式屬于PFM中的一種，相較于傳統(tǒng)PWM控制技術(shù)，其具有控制電路簡(jiǎn)單、輕載效率高以及瞬態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)[3,4]。變換器包含降壓型（Buck）、升壓型（Boost）以及降-升壓型（Buck-Boost）3種，本文主要研究Buck變換器。

傳統(tǒng)COT架構(gòu)的DC-DC Buck變換器雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些缺點(diǎn)。一方面，當(dāng)輸出電容的等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance，ESR）較小時(shí)，易出現(xiàn)次諧波現(xiàn)象，但當(dāng)增大ESR時(shí)又將引起過大的功率損耗。因此，為得到較穩(wěn)定的輸出電壓，同時(shí)避免過高的功率損耗，部分學(xué)者研究如何選擇合適的ESR[5,6]。另一方面，COT架構(gòu)的Buck變換器要求輸出電壓低且負(fù)載突變時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)快，對(duì)輸出電壓具有嚴(yán)格的精度要求，但是單純采用較大的輸出濾波電容會(huì)增大電路的功耗，降低其輸出性能[7,8]。

針對(duì)上述問題，本文在傳統(tǒng)COT控制電路的電壓瞬時(shí)輸入處采用濾波電路增大其紋波振幅，能有效實(shí)現(xiàn)COT控制的Buck變換器穩(wěn)定工作，同時(shí)縮短其穩(wěn)定所需時(shí)間，得到更為平穩(wěn)的電壓輸出。

1 傳統(tǒng)Buck變換器介紹

傳統(tǒng)DC-DC Buck變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含上功率管S1、下功率管S2、儲(chǔ)能電感L、濾波電容C以及輸出負(fù)載R0。

圖1 Buck降壓變換器的電路結(jié)構(gòu)

通過控制上下功率管的導(dǎo)通與關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。在功率管交替導(dǎo)通過程中，電感電流高于平均電流的部分對(duì)電容充電，使輸出電壓上升；低于平均電流的部分電容放電，使輸出電壓下降。按電感電流在每個(gè)周期是否從0開始，Buck變換器的工作模式可以分為電感電流連續(xù)工作模式（Continuous Conduction Mode，CCM）和電感電流不連續(xù)工作模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）兩種[9]。其輸出電壓U0與輸入電壓UIN的關(guān)系為：

式中，TON和TOFF分別表示功率管導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間；d為占空比。表明在輸入電壓穩(wěn)定的情形下，要改變輸出電壓，可以通過調(diào)整占空比d來實(shí)現(xiàn)，且輸出平均電壓總是小于輸入平均電壓。在CCM模式下，d表示Buck變換器的增益。

2 改進(jìn)COT架構(gòu)的Buck變換器原理

2.1 改進(jìn)COT架構(gòu)Buck工作原理

傳統(tǒng)Buck變換器的控制電路常采用電壓控制模式、電流控制模式以及V2控制模式。在負(fù)載變化時(shí)，電壓控制模式存在響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，電流和V2控制模式存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且紋波電壓較大的缺點(diǎn)。本文采用的COT控制模式屬于PFM中的一種，相較于傳統(tǒng)PFM控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換效率高以及輸出紋波小的優(yōu)點(diǎn)。COT架構(gòu)Buck變換器的具體工作原理是將Buck變換器的輸出電壓瞬時(shí)值UOUT與參考電壓UREF進(jìn)行比較，當(dāng)UOUT＜UREF時(shí)，上開關(guān)管導(dǎo)通，比較器輸出高電平，讓UOUT停止下降并開始上升，導(dǎo)通定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)達(dá)到導(dǎo)通定時(shí)器預(yù)設(shè)的導(dǎo)通時(shí)間，比較器輸出低電平，讓UOUT停止上升并開始下降，如此循環(huán)。

改進(jìn)COT架構(gòu)Buck變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，為了使得電壓瞬時(shí)輸出值與參考電壓的比較更為準(zhǔn)確，在控制模塊中還加入了濾波電路對(duì)電壓瞬時(shí)輸出值進(jìn)行濾波，以得到更為精準(zhǔn)的瞬時(shí)輸出值，使得COT控制模塊更為精準(zhǔn)，電壓輸出平穩(wěn)。濾波電路如圖3所示，采用紋波增強(qiáng)信號(hào)UV7通過電壓緩沖器E與反饋電壓FB疊加，修改電壓緩沖信號(hào)的增益就可以增強(qiáng)紋波幅度至k1U0，從而更便于其與UREF進(jìn)行比較得到更為準(zhǔn)確穩(wěn)定的直流輸出。

圖2 改進(jìn)COT架構(gòu)的Buck變換器系統(tǒng)

圖3 濾波電路

2.2 元件參數(shù)計(jì)算

COT架構(gòu)的Buck變換器包含連續(xù)導(dǎo)通和斷續(xù)導(dǎo)通兩種工作模式。為得到給定輸出紋波要求的電壓，需要計(jì)算濾波器中的元件參數(shù)，本文對(duì)Buck變換器連續(xù)導(dǎo)通模式的計(jì)算為：

由式（2）和式（3）可以看出，在COT架構(gòu)的Buck變換器中，當(dāng)系統(tǒng)頻率fs不變時(shí)，電感和電容的設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化，同時(shí)開關(guān)頻率fs與輸出電壓成正比，與輸入電壓成反比。

2.2.1 儲(chǔ)能電感

要使Buck變換器工作在正常模式，儲(chǔ)能電感的電感值L需要足夠大，但過大的L會(huì)導(dǎo)致電感的體積和重量增大，同時(shí)限制了能量的傳輸速度。因此采用計(jì)算變換器正常工作的臨界電感值Le，并通過留有一定裕量來確定儲(chǔ)能電感的實(shí)際容量L，即：

式中，T表示PWM波周期；I0為負(fù)載電流；δL表示Buck變換器預(yù)留的安全裕度。

2.2.2 濾波電容

紋波電壓的大小受到濾波電容的影響，當(dāng)濾波電容很大時(shí)，輸出電壓近似于恒定，但較大的濾波電容將會(huì)導(dǎo)致成本與設(shè)備體積的增加。同時(shí)為盡量減小紋波，需根據(jù)紋波電壓要求來計(jì)算濾波電容的大小，使得所設(shè)計(jì)的電路既能滿足要求，又能在一定程度上控制成本與體積。計(jì)算公式為：

式中，ΔU0表示紋波電壓。

3 仿真分析

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本文使用SIMPLIS軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，搭建的整體電路如圖4所示，包含本文提出的主電路、COT控制電路以及濾波電路。Buck變換器中，輸入電壓Uin=10 V，期望輸出電壓U0=1 V，電感L1=1.5 μH，電容C3=1.5 μF，負(fù)載R0=0.5 Ω。

圖4 改進(jìn)COT控制的Buck變換器電路

3.2 仿真結(jié)果

在采用相同電路參數(shù)與相同輸入條件（輸入恒為10 V）下，利用SIMPLIS仿真軟件分別對(duì)傳統(tǒng)Buck變換器、傳統(tǒng)COT架構(gòu)的Buck變換器以及本文改進(jìn)COT控制的Buck變換器進(jìn)行仿真分析。圖5為改進(jìn)COT控制方案下的輸出，圖6和圖7為原始COT架構(gòu)下和原始Buck變換器的輸出。仿真過程中發(fā)現(xiàn)，在相同的10 V輸入電壓下，傳統(tǒng)Buck變換器與傳統(tǒng)COT架構(gòu)的Buck變換器達(dá)到穩(wěn)定1 V輸出所需時(shí)間分別為173 μs和201 μs，而本文的改進(jìn)COT控制的Buck變換器達(dá)到穩(wěn)定1 V輸出需要159 μs，快于傳統(tǒng)的Buck變換器。此外，由圖5、圖6以及圖7對(duì)比可知，本文方法穩(wěn)定前的震蕩更小，當(dāng)輸入電壓恒定為10 V時(shí)，輸出電壓U0從3.4 V變化到1 V，并保持穩(wěn)定。相較于傳統(tǒng)的Buck變換器，本文改進(jìn)COT控制的Buck變換器能得到更為穩(wěn)定的1 V輸出，其輸出最高振幅為1.000 4 V，低于傳統(tǒng)Buck變換器與傳統(tǒng)COT控制的Buck變換器的最高振幅1.009 V與1.015 V。

圖5 改進(jìn)COT架構(gòu)下的Buck變換器仿真結(jié)果

圖6 原始COT架構(gòu)下的Buck變換器仿真結(jié)果

圖7 原始Buck變換器仿真結(jié)果

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)電路在不同輸入與負(fù)載下的穩(wěn)定性，分別將輸入電壓由恒定的10 V改變?yōu)?0～15 V的跳變電壓，將恒定的500 mΩ負(fù)載改變?yōu)?00 mΩ和334 mΩ的變動(dòng)負(fù)載，進(jìn)行仿真分析。由圖8和圖9可知，在跳變的輸入電壓與變化的負(fù)載下，本文改進(jìn)COT架構(gòu)的Buck變換器均能得到穩(wěn)定的1 V輸出，適應(yīng)不同的輸入電壓與負(fù)載，具有較好的穩(wěn)定性。

圖8 跳變輸入電壓下系統(tǒng)輸出仿真結(jié)果

圖9 不同負(fù)載下系統(tǒng)輸出仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)Buck變換器的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)COT控制方法進(jìn)行Buck變換器的控制電路設(shè)計(jì)，并對(duì)變換器內(nèi)部元件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最后采用SIMPLIS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，采用改進(jìn)COT控制的Buck變換器具有快速達(dá)到輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)，受輸入電壓及負(fù)載的影響較小，能得到穩(wěn)定的直流電壓輸出。