恒流源負(fù)載固定導(dǎo)通時(shí)間V2控制Buck變換器研究

董偉，陳小龍，董鋒格，任康成

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213001)

恒流源負(fù)載固定導(dǎo)通時(shí)間V2控制Buck變換器研究

董偉，陳小龍，董鋒格，任康成

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213001)

V2控制是基于輸出電壓紋波的雙環(huán)電壓型控制方法，具有對(duì)負(fù)載變化的超快響應(yīng)速度，通常應(yīng)用于對(duì)輸出響應(yīng)要求較高的開(kāi)關(guān)變換器中。但在輸出電容等效串聯(lián)電阻(ESR)較小時(shí)，V2控制Buck變換器會(huì)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，往往出現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率變化、輸出電壓紋波偏大等現(xiàn)象。為改善這些缺點(diǎn)，提出固定導(dǎo)通時(shí)間V2控制技術(shù)，用導(dǎo)通定時(shí)器取代原先的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，使得開(kāi)關(guān)變換器保留了V2控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以應(yīng)用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制方法來(lái)計(jì)算合適的輸出電容參數(shù)，降低了V2控制Buck變換器輸出電容參數(shù)的計(jì)算難度，也避免了需要增加斜坡補(bǔ)償來(lái)消除時(shí)鐘脈沖占空比大于50%時(shí)的開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定和次諧波振蕩這一措施。PSIM電路仿真驗(yàn)證了分析的正確性。

V2控制；等效串聯(lián)電阻；恒定導(dǎo)通時(shí)間控制；Buck變換器

0 引言

LED(Light Emitting Diode)照明對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種難得的綠色光源，逐漸成為現(xiàn)代照明科技的一大亮點(diǎn)，也是發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的必由之路。LED因其使用壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、體積小以及良好的抗震動(dòng)特性在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。自從奧迪家族第一款加裝LED前燈的車型R8曝光以來(lái)，已有越來(lái)越多的汽車廠商推出了配有各式造型LED燈具的新款轎車，尤其是日本汽車對(duì)LED燈具的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。LED燈具已被稱為一生不需要更換燈泡的汽車車燈，是國(guó)際上汽車電子化中最耀眼的產(chǎn)品之一。LED燈具不斷普及的同時(shí)也對(duì)驅(qū)動(dòng)電源提出了更高的要求[2]。

發(fā)光二極管照明是今后電力電子的重要研究和應(yīng)用方向[3]，其負(fù)載即LED端可等效為開(kāi)關(guān)變換器的恒流源負(fù)載端。因此，帶恒流源負(fù)載的開(kāi)關(guān)變換器在未來(lái)照明電源領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。V2型[4]Buck變換器利用ESR采樣輸出電容電流信息作為調(diào)制信號(hào)大幅度提高了負(fù)載響應(yīng)速度[5]，該特性可用于控制恒流源型負(fù)載。然而現(xiàn)階段，對(duì)于帶恒流源負(fù)載的V2型控制Buck變換器鮮有研究。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于V2控制開(kāi)關(guān)變換器的研究文獻(xiàn)大多集中于恒壓輸出的情況，鮮有針對(duì)恒流源負(fù)載應(yīng)用的研究報(bào)道[6-7]。作者選擇在不同ESR下對(duì)帶恒流源負(fù)載的V2控制Buck變換器進(jìn)行仿真研究。并根據(jù)V2控制Buck變換器的不足之處進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。

1 V2控制Buck變換器

1.1 工作原理

V2控制Buck變換器的電路原理圖及其在CCM模式下的穩(wěn)態(tài)工作波形如圖1所示。在圖1(a)中，功率級(jí)電路由輸入電壓E、開(kāi)關(guān)管S、二極管D、電感L、輸出電容C及其ESR和負(fù)載R′組成；控制電路由誤差放大器、比較器、RS觸發(fā)器、時(shí)鐘脈沖CP構(gòu)成。在開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)使鎖存器輸出VP為高電平，開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D關(guān)斷，輸出電壓增加。當(dāng)輸出電壓增加到控制電壓Vk時(shí)，開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，直至下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始[5,8]。由圖1(b)可以看出，輸出電壓Vo由輸出電容電壓V及其ESR兩端電壓組成，且存在如下關(guān)系：

Vo(t)=Hx=μ[V(t)+Ri(t)]

(1)

其中：

圖1 V2控制Buck變換器

1.2 V2控制Buck變換器輸出瞬態(tài)響應(yīng)與分析

V2控制方法在穩(wěn)態(tài)時(shí)的工作原理為，在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)時(shí)鐘信號(hào)使鎖存器復(fù)位、開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)電流IL由初始值線性增大。由于負(fù)載電流固定不變，所以該變化的電流完全通過(guò)濾波電容的ESR給濾波電容充電，從而在ESR上產(chǎn)生于電感電流斜率相同的壓降，該電壓即為內(nèi)環(huán)采樣電壓。當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，電感兩端壓降的降低導(dǎo)致電感紋波電流上升沿斜率減小。由于輸出電壓紋波是電感電流紋波在輸出電容ESR上的壓降，所以輸出電壓紋波斜率也減小，誤差放大器輸出的PWM控制信號(hào)保持不變，占空比自動(dòng)增大，以保證輸出的功率不變。這一調(diào)整過(guò)程與電流型控制方法相同，因而在輸入電壓變化時(shí)V2控制方法和電流型控制方法具有同樣快的瞬態(tài)響應(yīng)速度。

電流型控制方法在負(fù)載變化的瞬間，不會(huì)引起電感電流紋波斜率變化，電流環(huán)檢測(cè)不到這一變化，因而相對(duì)于V2控制方法響應(yīng)速度慢。傳統(tǒng)的電流型控制事實(shí)上是控制電感電流。但對(duì)于反激式變換器和Boost變換器拓?fù)?，電感不在輸出部分，電流型控制的許多優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)不出來(lái)。V2控制方法由于內(nèi)環(huán)檢測(cè)點(diǎn)在輸出部分，提高了Buck變換器和正激式變換器對(duì)輸入和輸出靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)速度，解決了電流型控制方法存在的問(wèn)題。

圖2將給出在負(fù)載電流源突變時(shí)，V2控制Buck變換器輸出電壓和電感電流的波形和傳統(tǒng)的電壓型控制在負(fù)載突變時(shí)的輸出波形，可以看出V2控制方法具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性和較小的輸出紋波。

圖2 負(fù)載突變時(shí)V2控制輸出和傳統(tǒng)的電壓型控制輸出

1.3 V2控制Buck變換器輸出時(shí)域波形仿真

由上節(jié)分析可知，V2控制Buck變換器是一種新型的雙環(huán)電壓控制方法，具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)速度。為研究恒流源負(fù)載情況下各電路參數(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)變換器工作穩(wěn)定性的影響，采用PSIM電路仿真軟件對(duì)帶有恒流源負(fù)載的V2控制Buck變換器進(jìn)行時(shí)域仿真分析。選取如表1所示的電路參數(shù)。

表1 V2控制Buck變換器電路參數(shù)

由圖3所示的仿真結(jié)果不難看出：當(dāng)輸出電容的等效串聯(lián)電阻R=100 mΩ時(shí)，V2控制Buck變換器工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，電感電流波動(dòng)較大，輸出電壓紋波大致為150 mV。開(kāi)關(guān)周期不確定，這會(huì)給輸出級(jí)的濾波電路設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難。繼續(xù)增大輸出電容的等效串聯(lián)電阻，當(dāng)R=200 mΩ時(shí)，開(kāi)關(guān)變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，開(kāi)關(guān)周期為定值，但輸出電壓紋波增大。因此，需要對(duì)恒流源負(fù)載情況下V2控制Buck變換器控制方法進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 不同ESR輸出時(shí)域波形圖

2 恒定導(dǎo)通時(shí)間V2控制Buck變換器

V2控制方法屬于雙環(huán)電壓型控制,用輸出電壓的紋波代替了電流型控制方法中的電流紋波[9]，所以V2控制方法不但具有電流型控制方法的輸入電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)負(fù)載的變化具有超快的響應(yīng)速度。但是V2控制方法沒(méi)有自動(dòng)限流的功能,且輸出電壓紋波較大，同樣需要增加斜坡補(bǔ)償來(lái)消除時(shí)鐘信號(hào)占空比大于50%時(shí)的開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定和次諧波振蕩[10]，因此在很大程度上制約了它的發(fā)展。

基于恒定導(dǎo)通時(shí)間V2(Constant On-time V2, COT-V2)控制方法是一種變頻、非線性調(diào)制方法。其工作原理(見(jiàn)圖4)為：每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，控制器采樣輸出電壓，輸出電壓同時(shí)通過(guò)內(nèi)環(huán)和外環(huán)反饋，低帶寬的外環(huán)誤差放大器將Vref與輸出電壓的誤差信號(hào)送入比較器的正輸入端，內(nèi)環(huán)將輸出電壓的紋波輸入到比較器負(fù)端，當(dāng)Buck變換器輸出電壓瞬時(shí)值Vo與誤差信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，導(dǎo)通定時(shí)器決定開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間TON；開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通TON時(shí)間后，導(dǎo)通定時(shí)器輸出一個(gè)窄脈沖，使RS觸發(fā)器復(fù)位，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，輸出電壓下降；當(dāng)輸出電壓下降到參考電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)管再次導(dǎo)通，進(jìn)入下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。改進(jìn)后的控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要補(bǔ)償環(huán)路以及時(shí)鐘脈沖輸入，易于實(shí)現(xiàn)。在負(fù)載較輕的情況下效率高，頻率特性好，同樣具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)，所以比較適用于恒流源負(fù)載等對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)要求較高的中小功率開(kāi)關(guān)電源控制中。

圖4 COT-V2電路原理圖

將采用表1中的電路參數(shù)，設(shè)定合適的導(dǎo)通時(shí)間，在PSIM仿真軟件中搭建相應(yīng)的仿真電路,如圖5所示。

圖5 COT-V2控制Buck變換器PSIM仿真電路圖

相比于上節(jié)的仿真電路，在RS觸發(fā)器的R端加入了導(dǎo)通定時(shí)器，以替代時(shí)鐘脈沖。這樣的好處是免去了對(duì)時(shí)鐘脈沖占空比小于50%的要求，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，同時(shí)減小了輸出電壓紋波。輸出電容等效串聯(lián)電阻的臨界值可以根據(jù)已有文獻(xiàn)的計(jì)算公式計(jì)算：

Rcritical=0.5TON/C

(1)

即輸出電容的時(shí)間常數(shù)ESR值R大于式(1)所表示的臨界值時(shí)， Buck變換器工作在穩(wěn)定的周期振蕩狀態(tài)，否則工作在不穩(wěn)定的次諧波振蕩狀態(tài)。計(jì)算難度遠(yuǎn)小于V2控制Buck的輸出電容ESR臨界值計(jì)算。

由圖6所示的仿真結(jié)果可知：改進(jìn)后的COT-V2控制Buck變換器不僅保持了V2控制的優(yōu)點(diǎn)，而且使得輸出電壓紋波大大減小，大致在20 mV左右，提高了輸出精度；同時(shí)開(kāi)關(guān)變換器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。此外，恒定導(dǎo)通時(shí)間控制電路利用簡(jiǎn)單的電容充放電電路就可以實(shí)現(xiàn)，相比于時(shí)鐘脈沖發(fā)生器可以大大節(jié)省設(shè)計(jì)成本。

圖6 COT-V2控制Buck變換器PSIM仿真電路圖

3 結(jié)論

在開(kāi)關(guān)電源的控制技術(shù)中，傳統(tǒng)的電壓型控制僅僅通過(guò)檢測(cè)輸出電壓進(jìn)行單環(huán)反饋控制，雖然電路簡(jiǎn)單，但是對(duì)輸入電壓和負(fù)載變化的響應(yīng)速度慢；而電流型控制方法采用電感電流和輸出電壓雙環(huán)反饋控制，提高了對(duì)輸入波動(dòng)的響應(yīng)速度，V2控制方法的控制內(nèi)環(huán)采用電感電流紋波在輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)上的壓降代替電流型控制的電流檢測(cè)信號(hào)，能夠大大提高變換器的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。作者在傳統(tǒng)的V2控制方法基礎(chǔ)上提出了恒定導(dǎo)通時(shí)間V2控制控制方法，不僅保留了V2控制的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了對(duì)時(shí)鐘脈沖占空比小于50%的要求，減小了輸出電壓紋波，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。

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Research on Constant On-time V2Controlled Buck Converter with Constant Current Source Load

DONG Wei,CHEN Xiaolong,DONG Fengge,REN Kangcheng

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting Systems Co.,Ltd., Changzhou Jiangsu 213001,China)

V2control is a double voltage control method based on output voltage ripple; it has a fast transient response speed, so it is suitable for various applications which require fast transient response. However, when equivalent series resistance (ESR) of output capacitor is small, the V2controlled buck converter works in instability state, which will cause variable-frequency and high output ripple. In order to avoid the disadvantages, constant on-time V2control method was proposed by adding an on-timer to replace the clock signal,so the V2controlled advantages were retained, and constant on-time control method could be used to calculate the proper capacitance parameter. In this case, the difficulties of calculating capacitance parameter for V2controlled buck converter were reduced, and it was also avoided slope compensation should be added to eliminate the open loop instability and sub-harmonic oscillation when clock signal’s duty exceeded 50%. PSIM simulation results have proved the analysis conclusion.

V2control; Equivalent series resistance;Constant on-time control; Buck converter

2016-09-01

董偉(1988—)，男，碩士，工程師，主要從事開(kāi)關(guān)變換器控制技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)研究。E-mail:shaoying@xyl.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.007

U461.2

A

1674-1986(2016)12-032-05