一種增強(qiáng)BOOST轉(zhuǎn)換器抗干擾能力的電路設(shè)計(jì)

姜嬋榮, 柴常春, 韓晨曦

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院， 陜西 西安 710071)

為了減小體積和重量，通常各類便攜式電子產(chǎn)品使用單電源供電。隨著人們對(duì)各類便攜式電子產(chǎn)品運(yùn)算速度、功能多樣化的要求不斷增加，對(duì)電源性能的要求也越來越高[1-3]。

為了適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境及工作條件，保證當(dāng)存在外界擾動(dòng)或者電路自身工作條件發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)能夠在很短的時(shí)間內(nèi)通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，需要在電源管理芯片中集成穩(wěn)壓變換器。開關(guān)式直流-直流(DC-DC)變換器具備轉(zhuǎn)換效率高、體積小以及驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

另外，由于電池的供電電壓有限，例如單芯鎳基電池和堿性電池的輸出電壓分別為1.2 V和1.5 V，遠(yuǎn)低于電路所需的工作電壓[7-8]；加之，電池的輸出電壓會(huì)隨著使用時(shí)間的延長而降低，所以，為了保證電路正常工作時(shí)供電電壓的穩(wěn)度和精度，需要片上系統(tǒng)中集成BOOST電源管理芯片，使得較低的電源電壓能夠升高到系統(tǒng)工作所需要的穩(wěn)定電壓。

最常用的BOOST轉(zhuǎn)換器的開關(guān)控制方法是脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation, PWM)。PWM技術(shù)在工作過程中其工作頻率保持不變，從而方便后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì)，但是當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在輕載條件下時(shí)，PWM的轉(zhuǎn)換效率急劇下降[9]。相比于PWM方法，恒定導(dǎo)通時(shí)間控制(constant on the time control, COT)方法的轉(zhuǎn)換效率較高，其開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為一定值，通過改變開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間來調(diào)整占空比，這就導(dǎo)致其開關(guān)頻率不固定，給后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì)帶來很大的困難[10]。

針對(duì)COT方法的局限性，文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生電路，根據(jù)不同的工作狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，消除外界參數(shù)的影響，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的恒定。這種方案電路簡單，但是頻率誤差較大。另外，該架構(gòu)需要較大的電容等效串聯(lián)電阻，否則系統(tǒng)將工作在振蕩狀態(tài)[12]。文獻(xiàn)[2]提出了混合紋波自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制，將電感電流紋波與輸出電壓紋波相結(jié)合，并額外引入電感電流與直流電壓來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，但該電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)BOOST轉(zhuǎn)換器在工作過程中負(fù)載發(fā)生突增、工作頻率不固定及能否正常啟動(dòng)等情況，為了提高電路的穩(wěn)定性，本文擬提出一種提高BOOST轉(zhuǎn)換器抗干擾能力的電路設(shè)計(jì)方案。通過在自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間產(chǎn)生模塊中增加一條電容的放電通路，以期提高系統(tǒng)的快速啟動(dòng)性能和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用一種自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制的BOOST轉(zhuǎn)換器，使其在連續(xù)導(dǎo)通模式(continuous conduction mode, CCM)下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)恒頻，而在非連續(xù)導(dǎo)通模式(discontinuous conduction mode, DCM)下，其開關(guān)頻率隨著負(fù)載的減小而降低。設(shè)計(jì)的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制的異步BOOST轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。Vin和Vo分別表示輸入、輸出電壓；L、Co分別表示濾波電感、電容；Rc為輸出電容的等效串聯(lián)電阻；M1為功率開關(guān)管；Ro為輸出電阻；R1和R2為輸出電壓的分壓電阻。置位/復(fù)位(reset/set, RS)觸發(fā)器的置位端連接比較器的輸出，復(fù)位端連接自適應(yīng)導(dǎo)通定時(shí)器的輸出。

圖1 BOOST轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)示意

BOOST轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)電路由片上有源功率管和片外無源器件構(gòu)成。功率管的作用等同于理想開關(guān)，用于電路的開啟和關(guān)閉。片外無源器件主要包括電感和電容，用于周期性地存儲(chǔ)和釋放能量。其工作過程為驅(qū)動(dòng)信號(hào)使功率管M1導(dǎo)通時(shí)，二極管由于反偏而截止，此時(shí)輸入電壓給電感充電，使得電感電流線性增加，電能以磁能的形式存儲(chǔ)于電感線圈中，負(fù)載Ro由濾波電容Co提供能量；當(dāng)M1截止時(shí)，由于電感電流不能突變，它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻止電流的減小，電感電勢(shì)變?yōu)樽筘?fù)、右正，并使得二極管導(dǎo)通，電感在上一階段儲(chǔ)存的磁能通過二極管流入電容，并傳遞給負(fù)載。輸出電壓經(jīng)反饋電阻R1和R2分壓后輸入到誤差放大器的反相輸入端，誤差放大器正向輸入端接芯片內(nèi)部產(chǎn)生的帶隙基準(zhǔn)電壓Vref。

恒頻技術(shù)能夠減小電磁干擾問題并且使得變換器具有穩(wěn)定的性能，但是在輕載下會(huì)降低轉(zhuǎn)換效率，所以該系統(tǒng)中采用自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制方法，實(shí)現(xiàn)CCM下的恒頻和DCM下的變頻控制，從而使得變換器在CCM下的開關(guān)頻率恒定，不受輸入輸出電壓變化的影響，輕載下通過增大開關(guān)周期來降低由于頻繁的開關(guān)切換動(dòng)作造成的轉(zhuǎn)換效率的降低。

在CCM模式下，忽略非理想?yún)?shù)的影響，開關(guān)周期Ts的表達(dá)式[13]為

(1)

其中TON表示開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。

傳統(tǒng)的恒定導(dǎo)通時(shí)間控制方式是保持開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間恒定，使得開關(guān)周期隨著輸入輸出電壓的變化而變化。為了實(shí)現(xiàn)恒頻控制，就要通過改變開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來消除這些參數(shù)的影響。設(shè)計(jì)的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器原理示意如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器原理示意

自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器在原有COT導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器的基礎(chǔ)上，引入了一個(gè)輸入電壓前饋電路和輸出電壓反饋電路，使得導(dǎo)通時(shí)間隨著輸入輸出電壓的變化自適應(yīng)變化。其中電流源為壓控電流源，受輸出電壓控制，其大小為kVo，k為壓控電流源的比例系數(shù)；電壓源為壓控電壓源，受輸出電壓和輸入電壓的共同控制，其大小為g(Vo-Vin)，g為壓控電壓源的比例系數(shù)。開關(guān)S受RS觸發(fā)器的負(fù)輸出端信號(hào)Q-的控制，當(dāng)Q-為高電平時(shí)，S開關(guān)導(dǎo)通，電容C放電。

當(dāng)反饋電壓VFB低于基準(zhǔn)電壓Vref時(shí)，比較器輸出高電平信號(hào)，從而RS觸發(fā)器的輸出Q-為低電平，開關(guān)S關(guān)斷，壓控電流源給電容C充電；當(dāng)電容兩端電壓Vc充電到壓控電壓源的電壓Vs時(shí)，比較器輸出R變?yōu)楦唠娖剑琑S觸發(fā)器復(fù)位，此時(shí)Q-為高電平，開關(guān)S導(dǎo)通，對(duì)電容C放電，R恢復(fù)為低電平。該過程經(jīng)過外部反饋控制使得輸出電壓上升。當(dāng)VFB再次低于基準(zhǔn)電壓Vref時(shí)，開始下一個(gè)周期。開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間由電容的充電時(shí)間即開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間TON決定，其表達(dá)式[13]為

(2)

其中：Vs是壓控電壓源即比較器負(fù)輸入端的電壓；Is是壓控電流源的大??；C是導(dǎo)通定時(shí)器內(nèi)使用電容的大小。聯(lián)立式(1)和式(2)可得

(3)

從式(3)可以看到，在該自適應(yīng)導(dǎo)通定時(shí)器的控制下，開關(guān)周期只與定時(shí)器內(nèi)部的電容大小、壓控電壓源比例系數(shù)k和壓控電流源的比例系數(shù)g有關(guān)，與輸入輸出電壓值無關(guān)，從而消除了輸入輸出電壓對(duì)開關(guān)頻率的影響。

2 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

在BOOST轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)瞬間，由于此時(shí)輸出電壓很小，從而分壓VFB也小于Vref。啟動(dòng)前一階段，比較器的輸出S一直為高電平，RS觸發(fā)器的負(fù)輸出端Q-恒為低電平，從而圖2中的S開關(guān)一直處于關(guān)斷狀態(tài)，電容C沒有放電通路，導(dǎo)致Vc一直處于高電平，從而比較器輸出R也恒為高電平。R和S同時(shí)為高電平使得功率管M1無法實(shí)現(xiàn)正常的開關(guān)操作，從而系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)正常的啟動(dòng)。

另外，在自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間控制方法中可能會(huì)存在不穩(wěn)定的情況。當(dāng)外界條件突變或者負(fù)載電流突然增大時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)載電流發(fā)生突增后的異常波形如圖3中所示。在功率管M1關(guān)斷瞬間，輸出電壓依然在額定輸出電壓之下，此時(shí)VFB小于Vref，導(dǎo)致RS觸發(fā)器的S輸入端一直為高電平，從而Q-端一直保持低電平，自適應(yīng)導(dǎo)通定時(shí)器中的電容無法正常放電，導(dǎo)致Vc一直大于Vs，致使R輸入端也恒為高電平，從而強(qiáng)制圖1中的主功率管M1一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓一直下降到輸入電壓附近，正常的升壓功能無法實(shí)現(xiàn)。

圖3 負(fù)載電流發(fā)生突增后出現(xiàn)的異常波形

針對(duì)啟動(dòng)和系統(tǒng)工作過程可能存在的不穩(wěn)定現(xiàn)象，本文在原有的導(dǎo)通定時(shí)器的基礎(chǔ)上，再引入另一個(gè)開關(guān)S-，使得S、R相與后經(jīng)過延遲模塊產(chǎn)生的Voff信號(hào)控制開關(guān)S-的導(dǎo)通與關(guān)斷。延遲的時(shí)間設(shè)定為約0.1 μs，當(dāng)R和S出現(xiàn)同時(shí)為高電平的情況時(shí)，經(jīng)過0.1 μs的延遲后，開關(guān)S-導(dǎo)通，電容經(jīng)過開關(guān)S-放電，Vc電壓下降，使得比較器輸出翻轉(zhuǎn)，R端輸出為0，從而使得功率管M1關(guān)斷，系統(tǒng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器的改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器的改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)示意

3 仿真結(jié)果

3.1 系統(tǒng)級(jí)仿真

為了方便驗(yàn)證本文方法的可行性，首先利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。Simulink電路搭建簡單，仿真速度快，可以方便地驗(yàn)證整個(gè)環(huán)路地可行性。實(shí)驗(yàn)相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)定

在系統(tǒng)的正常工作情況下，當(dāng)S為低電平、R為高電平時(shí)，RS觸發(fā)器復(fù)位，Q-為高電平，使得電容C放電，此時(shí)的S-開關(guān)不會(huì)對(duì)電路的工作產(chǎn)生任何影響；而當(dāng)電路進(jìn)入異常的工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電流跳變時(shí)RS觸發(fā)器的相關(guān)波形及輸出電壓仿真結(jié)果如圖5所示。

輸出電壓一直小于參考電壓Vref，導(dǎo)致此時(shí)的S恒為高電平，開關(guān)S無法對(duì)電容C進(jìn)行放電，R也為高電平；所以此時(shí)S-開關(guān)發(fā)揮作用，經(jīng)過0.1 μs的延遲后，S-開關(guān)導(dǎo)通，對(duì)電容進(jìn)行放電，R翻轉(zhuǎn)為低電平，功率管M1導(dǎo)通，電路恢復(fù)正常。由圖5(b)的仿真結(jié)果可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后的輸出電壓在負(fù)載電流突然增大后先減小后穩(wěn)定到額定的輸出電壓，恢復(fù)時(shí)間約為10 μs。

圖5 負(fù)載電流跳變時(shí)RS觸發(fā)器的相關(guān)波形及 輸出電壓仿真結(jié)果

在恢復(fù)期間，由于每次功率管的關(guān)斷時(shí)間只有0.1 μs，遠(yuǎn)小于導(dǎo)通時(shí)間，所以負(fù)載電容的能量在減小，導(dǎo)致輸出電壓仍然有所下降，但是此時(shí)的電感電流一直再增大。出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)電感電流與輸出電壓的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)電感電流與輸出電壓的仿真結(jié)果

由于輸出電壓的紋波主要包括電容紋波和其等效串聯(lián)電阻(equivalent series resistance, ESR)的紋波，雖然電容上的紋波在減小，但是隨著電感電流的增大，其ESR上的紋波越來越大，當(dāng)二者之和超過閾值電壓后，功率管一直關(guān)斷，致使負(fù)載電容的能量得到恢復(fù)，從而電路完全恢復(fù)到正常的開關(guān)狀態(tài)，電容電壓紋波與其等效串聯(lián)電阻紋波相關(guān)仿真波形如圖7所示。

圖7 電容電壓紋波與其等效串聯(lián)電阻紋波

3.2 電路級(jí)仿真

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電路的性能，利用Cadence軟件分別對(duì)轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)過程和負(fù)載電流的跳變過程進(jìn)行電路級(jí)仿真。

要想實(shí)現(xiàn)升壓功能，需要功率管M1的周期性的開啟與關(guān)斷。轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)信號(hào)的仿真波形如圖8所示。

可以看出，在轉(zhuǎn)換器的開啟階段，由于VFB始終小于Vref，所以RS觸發(fā)器的S端一直保持高電平。電路剛啟動(dòng)時(shí)，功率管M1的柵控信號(hào)N為高電平，電感開始儲(chǔ)能，要想使得輸出電壓進(jìn)一步上升，就需要M1關(guān)斷一段時(shí)間，在此階段實(shí)現(xiàn)電容的充電。啟動(dòng)階段的M1的關(guān)斷時(shí)間就是所設(shè)計(jì)的RS相以后的延遲時(shí)間Tdelay。

每個(gè)周期電感的預(yù)先儲(chǔ)能是實(shí)現(xiàn)升壓的關(guān)鍵，一方面，M1的關(guān)斷時(shí)間不能過長，要留有足夠的時(shí)間給電感儲(chǔ)能；另一方面，M1的關(guān)斷時(shí)間又不能過小，避免輸出電壓升高太慢，影響轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。根據(jù)理論分析與仿真結(jié)果，選取延遲時(shí)間Tdelay為0.1 μs～0.2 μs，在該時(shí)間范圍內(nèi)，既能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)換器的正常開啟，又不會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定升壓功能。

為了驗(yàn)證電路的瞬態(tài)響應(yīng)，對(duì)負(fù)載跳變時(shí)輸出電壓和電感電流進(jìn)行仿真，負(fù)載電流跳變時(shí)輸出電壓與電感電流的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 負(fù)載電流跳變時(shí)輸出電壓與 電感電流的仿真結(jié)果

可以看出，負(fù)載電流從0.33 A跳變到0.66 A，在跳變點(diǎn)時(shí)的輸出電壓為4.98 V，小于額定的輸出電壓5 V，此時(shí)，轉(zhuǎn)換器能夠在8 μs內(nèi)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，瞬態(tài)響應(yīng)速度較快。

4 結(jié)語

針對(duì)BOOST轉(zhuǎn)換器在啟動(dòng)階段和負(fù)載電流發(fā)生跳變時(shí)可能出現(xiàn)的異常工作情況，為了提升BOOST轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力，提出了一種優(yōu)化方法。通過在傳統(tǒng)的自適應(yīng)導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生器的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)由置位/復(fù)位信號(hào)共同控制的開關(guān)，使得當(dāng)轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)或者負(fù)載電流發(fā)生跳變時(shí)，增加了一個(gè)電容放電通路，不需要引入復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，就能使得BOOST轉(zhuǎn)換器正常開啟，從而避免環(huán)路無法實(shí)現(xiàn)正常的升壓功能，并且提高了轉(zhuǎn)換器在負(fù)載電流發(fā)生突增時(shí)的穩(wěn)定性?；赟imulink和Cadence分別進(jìn)行了系統(tǒng)級(jí)仿真和電路級(jí)仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電路的性能。