創(chuàng)新的自適應(yīng)脈寬調(diào)制器為固定通/斷時間可控的穩(wěn)壓器提供恒定開關(guān)頻率

　　摘要

　　本文介紹一種創(chuàng)新的自適應(yīng)穩(wěn)壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調(diào)制器(PWM) ，基于“固定關(guān)斷時間(FOT)”或“恒定導(dǎo)通時間(COT)”控制方法，可以在全工況下(例如，滿負(fù)載CCM或中低負(fù)載DCM模式，寬輸入輸出電壓) 以恒定開關(guān)頻率工作，無轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)(例如，功率開關(guān)和濾波電感器的電阻)的負(fù)面影響。此外，本文提出的調(diào)制器電路與轉(zhuǎn)換器拓?fù)錈o關(guān)(升壓、降壓、反激式等)，只與功率開關(guān)管柵極驅(qū)動邏輯信號(GD)有關(guān)，節(jié)省芯片引腳數(shù)量，且/或降低設(shè)計(jì)復(fù)雜程度。

　　前言

　　在一個基于FOT控制方法的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器內(nèi)，控制器使功率開關(guān)管的關(guān)斷時間(TOFF)固定不變，并調(diào)制功率開關(guān)的導(dǎo)通時間(TON)，以此調(diào)整輸出電壓或電流。反之亦然，COT控制方法是使功率開關(guān)的導(dǎo)通時間固定不變，同時調(diào)制功率開關(guān)的關(guān)斷時間，調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓電流。最簡單的FOT或COT電路會導(dǎo)致開關(guān)頻率(FSW)顯著變化，這主要與輸入輸出電壓設(shè)置點(diǎn)和負(fù)載(CCM 或DCM模式)有關(guān)。具體地講，當(dāng)負(fù)載降低時，開關(guān)頻率將會升高，導(dǎo)致能效降低或產(chǎn)生意外的特性(需要更寬的EMI濾波器)，這是一個眾所周知的技術(shù)缺點(diǎn)，不少文獻(xiàn)中都有記載解決這個問題的辦法。

　　例如，用FOT方法控制CCM PFC前級升壓穩(wěn)壓器，導(dǎo)致開關(guān)頻率隨電網(wǎng)電壓和負(fù)載條件而發(fā)生明顯變化[1]。按照實(shí)時電網(wǎng)電壓調(diào)制關(guān)斷時間，可以降低開關(guān)頻率(TOFF Kt Vin, pk sinθ), 如圖1所示，只要升壓級是CCM模式，最終開關(guān)頻率是恒定的[2]，如圖1右圖所示。

　　圖1：電網(wǎng)電壓FOT調(diào)制PFC升壓轉(zhuǎn)換器(左); FSW對電網(wǎng)電壓(右)

　　COT被廣泛用于控制基于降壓[3-5]和升壓[6]拓?fù)涞腄C/DC轉(zhuǎn)換器。在降壓轉(zhuǎn)換器[3]內(nèi)，假設(shè)是CCM模式且忽略寄生效應(yīng)(例如，功率開關(guān)和濾波電感器的電阻)，按照檢測到的輸入輸出電壓調(diào)制導(dǎo)通時間，可以產(chǎn)生恒定的開關(guān)頻率。事實(shí)上，根據(jù)[4]-[5]，實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)還需要檢測功率開關(guān)上的電壓并按照該電壓對導(dǎo)通時間進(jìn)行深度調(diào)制。同樣的方法還用于COT 升壓轉(zhuǎn)換器[6]和FOT升壓轉(zhuǎn)換器[7]。值得注意地是，關(guān)于如何將開關(guān)頻率變化降到最小，[2-7]給出的解決方法都是基于轉(zhuǎn)換器占空比估算值(這與CCM模式下的理想開關(guān)頻率密切相關(guān))和檢測轉(zhuǎn)換器電網(wǎng)電氣參數(shù)(例如，輸入輸出電壓、功率開關(guān)/電感器電壓降等)。

　　為解決前文提到的所有缺點(diǎn)，本文提出的調(diào)制器的主要思路是測量功率開關(guān)的導(dǎo)通時間(或關(guān)斷時間)，然后根據(jù)這個信息適時調(diào)制關(guān)斷或?qū)〞r間，最終取得恒定開關(guān)頻率。

　　創(chuàng)新的調(diào)制器: 工作原理

　　圖 2 所示是我們提出的調(diào)制器(黑色的是FOT調(diào)制器，綠色的是COT調(diào)制器)，其中Q代表功率開關(guān)管柵極驅(qū)動邏輯信號，END-TOFF (END-TON)是調(diào)制器的輸出，其上升沿是TOFF (TON)時長;IR1和IR2恒定電流發(fā)生器。采用與圖[1]相同的符號表示法，VTH_RAMP和VRAMP電壓可以表示為2πfline t 的函數(shù)， T(θ)= TON(θ)+ TFW(θ)+TR(θ)=TON(θ)+ TOFF(θ)是開關(guān)周期。

　　假設(shè) T(θ) << Rt2 Ct2 << 1/fline，fline是電網(wǎng)電壓頻率， 電容Ct2上的開關(guān)頻率紋波忽略不計(jì)，其平均值忠實(shí)地跟隨電網(wǎng)頻率變化。

　　以 FOT控制電路為例，通過將該電荷平衡應(yīng)用到開關(guān)周期，可以求出 Ct2上的平均電壓VTH_RAMP (θ)：

　　解方程式(1)求出VTH_RAMP (θ)電壓:

　　在功率開關(guān)管關(guān)斷期間，CR1電容的充電電流是IR1恒流，CR1電容上的電壓VRAMP (θ)線性升高：

　　只要(2)等于(3)，調(diào)制器立即結(jié)束功率開關(guān)管的關(guān)斷時間(TOFF時間)：

　　解方程式(4)計(jì)算1/T(θ)值:

　　方程式(5)證明，最終開關(guān)頻率是恒定值，與輸入輸出電壓設(shè)置點(diǎn)無關(guān)，也與工況(CCM或DCM)和轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)無關(guān)。

　　值得注意地是，本文提出的調(diào)制器僅基于轉(zhuǎn)換器功率開關(guān)的柵極驅(qū)動邏輯信號(Q)，因此，是一個適用于所有轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞耐ㄓ谜{(diào)制器。

　　創(chuàng)新的調(diào)制器: 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　我們采用PSIM 仿真法在不同的拓?fù)?例如，DC/DC降壓COT、PFC升壓FOT、DC/DC反激式FOT轉(zhuǎn)換器等) 內(nèi)測試并驗(yàn)證圖2所示調(diào)制器。

　　因篇幅原因就不在這里贅述良好的測試結(jié)果，我們在PFC前級升壓穩(wěn)壓器上通過實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證這款創(chuàng)新的調(diào)制器的性能。

　　圖3和4分別是實(shí)驗(yàn)波形和內(nèi)置[2]的LM-FOT調(diào)制器的400W PFC [8]與這款創(chuàng)新的調(diào)制器的性能比較。

　　具體地講，圖3所示是開關(guān)頻率在寬輸入電壓(230Vac-左和115Vac-右)范圍和所有負(fù)載條件中(CCM-左, DCM - 右)保持恒定。與標(biāo)準(zhǔn)LM-FOT方法相比，本文提出的創(chuàng)新調(diào)制器的性能大幅改進(jìn)，特別是在高壓線DCM運(yùn)行模式更為明顯，如圖4所示。

　　圖 3：創(chuàng)新調(diào)制器的實(shí)驗(yàn)波形：230Vac 滿載(左);115Vac輕載(右)

　　圖4：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較: 230Vac輕載(DCM工作模式)

　　結(jié)束語和未來研究

　　本文提出一個創(chuàng)新的采用FOT/COT方法實(shí)現(xiàn)恒定開關(guān)頻率的自適應(yīng)PWM調(diào)制器，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證了這個概念。在摘要中，我們介紹了這個調(diào)制器設(shè)計(jì)的工作原理。這篇論文的正文部分還將探討非理想因素(例如，Ct2 電容上的紋波)的重要影響和調(diào)制器小信號模型，以及更多信息和仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] C. Adragna, S. De Simone and G. Gattavari, "New Fixed-Off-Time PWM modulator provides constant frequency operation in boost PFC pre-regulators", International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, SPEEDAM 2008, pp. 656-661.

　　[3] H.C.Lin, B.C Fung and T.Y Chang, "A Current Mode Adaptive On-Time Control Scheme for Fast Transient DC-DC Converters", International Symposium on Circuits and Systems, ISCS 2008, pp. 2602 - 2605.

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　　[5] W.C.Chen, H.C.Chen, M.W.Chien, Y.W.Chou, K.H.Chen, Y.H. Lin, T.Y Tsai, S.R Lin, and C.C.Lee “Pseudo-Constant Switching Frequency in On-Time Controlled Buck Converter with Predicting Correction Techniques”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 31, Iss.5, pp. 3650 – 3662, May 2016.

　　[6] X. Xu, X. Wu and X. Yan, "A Quasi Fixed Frequency Constant On-Time Controlled Boost Converter", International Symposium on Circuits and Systems, ISCS 2008, pp. 2206-2209.

　　[7] M.C.Lee, X. Jing and P.K.T.Mok, "A 14V-Output Adaptive-Off-Time Boost Converter with Quasi-Fixed-Frequency in Full Loading Range", International Symposium of Circuits and Systems, ISCAS 2011, pp. 233-236.

　　[8] "400 W FOT-controlled PFC pre-regulator with the L6563", STMicroelectronics Application Note, AN2485.