動態(tài)電壓調(diào)節(jié)開關變換器的定頻導通時間控制

徐楊軍，許建平，王金平，何圣仲

(磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031)

動態(tài)電壓調(diào)節(jié)開關變換器的定頻導通時間控制

徐楊軍，許建平，王金平，何圣仲

(磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031)

對動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)開關變換器的定頻導通時間(Constant Frequency Turn-On Time，CFOT)控制技術進行了研究，在恒定導通時間(Constant On-Time，COT)基礎上，通過引入輸入電壓前饋和輸出參考電壓反饋環(huán)路，實現(xiàn)不同輸入、輸出電壓條件下DVS開關變換器保持開關頻率恒定。研究結果表明，CFOT控制不僅繼承了傳統(tǒng)COT控制環(huán)路設計簡單、無需誤差放大器及其相應的補償網(wǎng)路、瞬態(tài)響應快的優(yōu)點，而且消除了輸入、輸出電壓變動對開關頻率的影響。

COT控制;CFOT控制;恒定頻率;動態(tài)電壓調(diào)節(jié)

1 引言

開關電源由于具有體積小、效率高和重量輕的優(yōu)點，已經(jīng)在多個領域取代了線性電源，開關電源技術已經(jīng)成為電力電子領域一個最為活躍的分支，引起了電源技術研究人員的高度重視［1-3］。隨著科學技術日新月異的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能越來越強大，其對電源的需求也越來越高。在保證電子產(chǎn)品性能和功能的前提下，為了降低電子產(chǎn)品的功率消耗，需要根據(jù)電子產(chǎn)品的工作模態(tài)動態(tài)調(diào)整其工作電壓［4］。為了滿足這種要求，本文研究了一種輸出電壓動態(tài)調(diào)節(jié)開關變換器的定頻導通時間控制方法。

傳統(tǒng)COT控制技術是一種在工業(yè)界得到廣泛應用的基于PFM調(diào)制的技術。它具有瞬態(tài)響應速度快、系統(tǒng)設計簡單［5］、無需誤差放大器等優(yōu)點。但由于傳統(tǒng)COT控制是變頻控制，開關變換器的開關頻率會隨著輸入電壓、輸出電壓的變化而變化，對EMI濾波器的優(yōu)化設計帶來困難。

在傳統(tǒng)COT控制技術的基礎上，本文提出了一種定頻導通時間控制技術，通過引入輸入電壓前饋環(huán)和輸出參考電壓反饋環(huán)，使導通時間受輸入電壓和輸出電壓控制，即在輸入電壓或者輸出電壓變化時調(diào)整導通時間，以消除輸入、輸出電壓對開關頻率的影響，從而實現(xiàn)保持開關頻率恒定。本文分析了CFOT控制技術的工作原理，實驗結果驗證CFOT控制技術消除了輸入電壓、輸出電壓對DVS開關變換器開關頻率的影響。

2 CFOT控制技術

根據(jù)參考文獻［6］可知，COT控制Buck變換器的開關頻率為

由式(1)可知，COT控制Buck變換器的開關頻率與輸入電壓成反比，與輸出電壓成正比，m為輸出電壓采樣系數(shù)。因此，當輸入電壓或者輸出參考電壓發(fā)生變化時，為維持輸出電壓穩(wěn)定，控制器將調(diào)整功率開關管的關斷時間，即開關頻率隨輸入電壓或者輸出參考電壓的變化而變化，從而會給濾波器的設計帶來困難。

［6］提出的基于輸入電壓前饋補償?shù)亩▽〞r間(Input Voltage Feed-forward Compensated COT，IVFC-COT)控制技術在COT控制的基礎上，引入輸入電壓前饋環(huán)作用于導通定時器，使導通定時器的導通時間隨輸入電壓的變化而變化，而開關頻率不隨輸入電壓變化而變化。從而消除了輸入電壓對開關頻率的影響，但是開關頻率仍會隨著輸出電壓變化而變化。

在傳統(tǒng)COT控制的基礎上，CFOT控制技術引入了輸入電壓前饋環(huán)和輸出參考電壓反饋環(huán)作用于導通定時器，使導通定時器的導通時間隨輸入電壓和輸出參考電壓的變化而變化，從而保持開關頻率恒定。CFOT控制原理如圖1(a)所示，當輸入電壓變化時，它與IVFC-COT控制的工作過程基本一致，只有輸出參考電壓發(fā)生變化時，兩者才呈現(xiàn)出差異。

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

如圖1(b)所示，CFOT控制器的導通定時器中gVin為受輸入電壓Vin控制的受控電流源，g為受控電流源系數(shù);kVref為受輸出參考電壓控制的受控電壓源，k為受控電壓源系數(shù);S2為受RS觸發(fā)器珚Q端控制的開關，當珚Q為高電平時，S2閉合，否則S2斷開。當開關變換器輸入電壓發(fā)生變化時，受控電流源電流相應發(fā)生變化，從而改變導通時間，維持開關頻率恒定;而當變換器輸出參考電壓發(fā)生變化時，受控電壓源電壓發(fā)生相應變化，同樣會改變導通時間，以保持開關頻率恒定。

圖1(c)為CFOT控制器的主要控制信號，當輸出電壓Vo降至參考電壓Vref時，RS觸發(fā)器置位，主功率開關管導通，導通定時器中開關S2斷開，電容C1端電壓VC1從零開始線性上升，其端電壓可表示為:

當VC1上升至門限電壓kVref時，RS觸發(fā)器復位，功率開關管關斷，輸出電壓下降，開關S2閉合，電容電壓VC1降為零;當輸出電壓下降到Vref時，進入下一個開關周期。

由上面描述可知，這種控制是基于輸出電壓紋波谷值的控制，與傳統(tǒng)的COT控制類似，實際輸出電壓高于參考電壓。要實現(xiàn)輸出電壓等于參考值Vref，可以將圖1(a)中比較器正端處的Vref用另一個信號代替，該信號由輸出電壓與參考電壓Vref的差值經(jīng)誤差放大器作用后產(chǎn)生，利用誤差放大器消除輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差，使實際輸出電壓等于參考電壓值。但是，這種方式會增加一個控制環(huán)路，且需要對誤差放大器進行補償網(wǎng)絡設計，增加了控制環(huán)路的設計難度。所以本文沿用傳統(tǒng)COT控制的思路，沒有引入額外的控制環(huán)路。

電容電壓VC1由零上升至門限電壓kVref所需的時間決定了固定導通時間TON，即:

從式(3)可以看出，CFOT控制的導通時間與輸入電壓成反比，與輸出參考電壓成正比。

將式(3)代入式(1)，可得:

式(4)給出了CFOT控制Buck變換器的開關頻率與電路參數(shù)之間的關系，從式(4)可以看出，由于輸入電壓前饋環(huán)和輸出參考電壓反饋環(huán)的作用，使得開關頻率表達式中不含有輸入電壓與輸出參考電壓，即開關頻率與輸入電壓及輸出參考電壓無關，從而解決了COT控制DVS開關變換器的開關頻率隨輸出參考電壓變化而變化的問題。

3 實驗驗證

為了驗證理論分析的正確性，本文設計了CFOT Buck變換器，其主要參數(shù)見表1。

表1 CFOT控制Buck變換器電路參數(shù)Tab．1 Parameters of CFOT Buck converter

將上述有關電路參數(shù)代入式(4)，可計算出開關頻率fs=100kHz。

圖2給出了CFOT控制Buck變換器在輸入電壓為10V，輸出參考電壓分別為3.3V和5V時的實驗結果，其中Vin、VD、Vo和ΔVo分別為輸入電壓、續(xù)流二極管陰極電壓、輸出電壓和輸出電壓紋波。對比圖2(a)、圖2(b)可以看出，輸出電壓可以穩(wěn)定在3.3V及5V，開關頻率均為100kHz，這與理論計算一致。盡管輸出電壓不同，但導通時間的改變使得變換器的開關頻率保持不變，從而驗證了CFOT控制技術的可行性。

圖3為不同輸入電壓時CFOT控制Buck變換器實驗結果。從圖中可以看出，輸入電壓分別為8V和11V時，導通時間發(fā)生變化，但變換器開關頻率仍均為100kHz，只是輸出電壓紋波有所變化。

圖4給出了負載電流Io在0.5～1A之間發(fā)生突變時的實驗結果。負載電流發(fā)生突變時，幾乎沒有調(diào)節(jié)過程，且開關頻率均為100kHz，從而驗證CFOT控制技術具有快速的負載瞬態(tài)響應速度。

4 結論

圖2 不同輸出電壓時CFOT控制Buck變換器實驗結果Fig．2 Waveforms of CFOT controlled converter under different output voltages

圖3 不同輸入電壓時CFOT控制Buck變換器實驗結果Fig．3 Waveforms of CFOT controlled converter under different input voltages

CFOT控制繼承了傳統(tǒng)COT控制瞬態(tài)響應速度快、控制環(huán)路設計簡單等優(yōu)點。它通過引入輸出參考電壓反饋和輸入電壓前饋，使輸出參考電壓與輸入電壓直接控制導通定時器，導通時間與輸出參考電壓和輸入電壓相關，從而確保不同輸入、輸出電壓情況下保持開關頻率的恒定，實現(xiàn)了對DVS開關變換器輸出電壓的控制。實驗結果驗證了CFOT控制技術的可行性。

圖4 CFOT控制Buck變換器負載瞬態(tài)響應實驗結果Fig．4 Waveforms of CFOT controlled converter load transient response

參考文獻(References):

［1］張衛(wèi)平 (Zhang Weiping)．開關變換器的建模與控制(Modeling and control of switching converter) ［M］．北京:中國電力出版社 (Beijing:China Power Press)，2005．

［2］羅萍，熊富貴，張波，等 (Luo Ping，Xiong Fugui，Zhang Bo，et al．)．PSM開關變換器的平均模型與特性分析 (Average mode of PSM switching converter and analysis of its characteristics) ［J］．電工技術學報(Transactions of China Electrotechnical Society)，2005，20(3):19-23．

［3］錢照明，張軍民，呂征宇，等 (Qian Zhaoming，Zhang Junmin，Lv Zhengyu，et al．)．我國電力電子與電力傳動面臨的挑戰(zhàn)與機遇 (Challenge and opportunity for power electronics and electrical drive in China)［J］．電工技術學報 (Transactions of China Electrotechnical Society)，2004，19(8):10-22．

［4］Luo Feng，Dongsheng Ma．Integrated adaptive step-up/ down switching DC-DC converter with tri-band tri-mode digital control for dynamic voltage scaling［A］．IEEE ISIE［C］．2008.142-147．

［5］沈霞，王洪誠，方瑋 (Shen Xia，Wang Hongcheng，F(xiàn)ang Wei)．基于恒定導通時間的V2控制方法研究(Research of the V2control method based on constant on time) ［J］．電測與儀表 (Electrical Measurement and Instrumentation)，2009，46(11):72-76．

［6］王金平，許建平，蘭燕妮，等 (Wang Jinping，Xu Jianping，Lan Yanni，et al．)．基于輸入電壓前饋補償?shù)拈_關變換器恒定導通時間控制技術 (Constant on-time control of switching DC-DC converters based on input voltage feed-forward compensation)［J］．電工技術學報(Transactions of China Electrotechnical Society)，2012，27(2):18-22．

Constant frequency turn-on time control of dynamic voltage scaling switching converters

XU Yang-jun，XU Jian-ping，WANG Jin-ping，HE Sheng-zhong
(Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle，Ministry of Education，School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Constant Turn-On Time(COT)control technique has been widely used for industrial application．It regulates output voltage of switching converter by adjusting variation of switch frequency．Constant Frequency Turn-On Time(CFOT)control of dynamic voltage scaling switching converters is proposed in this paper．Based on the Constant On-Time，by the introduction of the input voltage feed-forward and output reference voltage feedback loop constant switching operating frequency under different input and/or output voltage conditions is realized．Research results show that similar to COT control technique，CFOT also benefits simple control loop and fast transient re-sponse，moreover，error amplifier and its corresponding compensation network are not needed．In addition，it can make the switching frequency independent of the variation of input voltage and output voltage．

COT control;CFOT control;constant frequency;dynamic voltage scaling

TM46

A

1003-3076(2014)07-0028-05

2013-06-27

國家自然科學基金(51177140)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項基金(2682013ZT20)資助項目

徐楊軍(1987-)，男，四川籍，碩士研究生，研究方向為開關變換器拓撲及其控制技術;

許建平(1963-)，男，貴州籍，教授，博士生導師，研究方向為開關變換器的控制方法、低電壓大電流電路拓撲及控制策略研究、電源管理技術、功率因數(shù)校正技術等。