徐楊軍，許建平，王金平，何圣仲

(磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的定頻導(dǎo)通時(shí)間控制

徐楊軍，許建平，王金平，何圣仲

(磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

對(duì)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(Dynamic Voltage Scaling，DVS)開關(guān)變換器的定頻導(dǎo)通時(shí)間(Constant Frequency Turn-On Time，CFOT)控制技術(shù)進(jìn)行了研究，在恒定導(dǎo)通時(shí)間(Constant On-Time，COT)基礎(chǔ)上，通過引入輸入電壓前饋和輸出參考電壓反饋環(huán)路，實(shí)現(xiàn)不同輸入、輸出電壓條件下DVS開關(guān)變換器保持開關(guān)頻率恒定。研究結(jié)果表明，CFOT控制不僅繼承了傳統(tǒng)COT控制環(huán)路設(shè)計(jì)簡單、無需誤差放大器及其相應(yīng)的補(bǔ)償網(wǎng)路、瞬態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，而且消除了輸入、輸出電壓變動(dòng)對(duì)開關(guān)頻率的影響。

COT控制;CFOT控制;恒定頻率;動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)

1 引言

開關(guān)電源由于具有體積小、效率高和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域取代了線性電源，開關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域一個(gè)最為活躍的分支，引起了電源技術(shù)研究人員的高度重視［1-3］。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能越來越強(qiáng)大，其對(duì)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(dòng)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)開關(guān)變換器的定頻導(dǎo)通時(shí)間控制方法。

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

在傳統(tǒng)COT控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種定頻導(dǎo)通時(shí)間控制技術(shù)，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(dǎo)通時(shí)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(shí)調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間，以消除輸入、輸出電壓對(duì)開關(guān)頻率的影響，從而實(shí)現(xiàn)保持開關(guān)頻率恒定。本文分析了CFOT控制技術(shù)的工作原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證CFOT控制技術(shù)消除了輸入電壓、輸出電壓對(duì)DVS開關(guān)變換器開關(guān)頻率的影響。

2 CFOT控制技術(shù)

根據(jù)參考文獻(xiàn)［6］可知，COT控制Buck變換器的開關(guān)頻率為

由式(1)可知，COT控制Buck變換器的開關(guān)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(dāng)輸入電壓或者輸出參考電壓發(fā)生變化時(shí)，為維持輸出電壓穩(wěn)定，控制器將調(diào)整功率開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間，即開關(guān)頻率隨輸入電壓或者輸出參考電壓的變化而變化，從而會(huì)給濾波器的設(shè)計(jì)帶來困難。

［6］提出的基于輸入電壓前饋補(bǔ)償?shù)亩▽?dǎo)通時(shí)間(Input Voltage Feed-forward Compensated COT，IVFC-COT)控制技術(shù)在COT控制的基礎(chǔ)上，引入輸入電壓前饋環(huán)作用于導(dǎo)通定時(shí)器，使導(dǎo)通定時(shí)器的導(dǎo)通時(shí)間隨輸入電壓的變化而變化，而開關(guān)頻率不隨輸入電壓變化而變化。從而消除了輸入電壓對(duì)開關(guān)頻率的影響，但是開關(guān)頻率仍會(huì)隨著輸出電壓變化而變化。

在傳統(tǒng)COT控制的基礎(chǔ)上，CFOT控制技術(shù)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(dǎo)通定時(shí)器，使導(dǎo)通定時(shí)器的導(dǎo)通時(shí)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(guān)頻率恒定。CFOT控制原理如圖1(a)所示，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，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(shí)，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(dǎo)通定時(shí)器中g(shù)Vin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(guān)，當(dāng)珚Q為高電平時(shí)，S2閉合，否則S2斷開。當(dāng)開關(guān)變換器輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，受控電流源電流相應(yīng)發(fā)生變化，從而改變導(dǎo)通時(shí)間，維持開關(guān)頻率恒定;而當(dāng)變換器輸出參考電壓發(fā)生變化時(shí)，受控電壓源電壓發(fā)生相應(yīng)變化，同樣會(huì)改變導(dǎo)通時(shí)間，以保持開關(guān)頻率恒定。

圖1(c)為CFOT控制器的主要控制信號(hào)，當(dāng)輸出電壓Vo降至參考電壓Vref時(shí)，RS觸發(fā)器置位，主功率開關(guān)管導(dǎo)通，導(dǎo)通定時(shí)器中開關(guān)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(dāng)VC1上升至門限電壓kVref時(shí)，RS觸發(fā)器復(fù)位，功率開關(guān)管關(guān)斷，輸出電壓下降，開關(guān)S2閉合，電容電壓VC1降為零;當(dāng)輸出電壓下降到Vref時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)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(shí)際輸出電壓高于參考電壓。要實(shí)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(gè)信號(hào)代替，該信號(hào)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(shí)際輸出電壓等于參考電壓值。但是，這種方式會(huì)增加一個(gè)控制環(huán)路，且需要對(duì)誤差放大器進(jìn)行補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，增加了控制環(huán)路的設(shè)計(jì)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(shí)間決定了固定導(dǎo)通時(shí)間TON，即:

從式(3)可以看出，CFOT控制的導(dǎo)通時(shí)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(guān)頻率與電路參數(shù)之間的關(guān)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(guān)頻率表達(dá)式中不含有輸入電壓與輸出參考電壓，即開關(guān)頻率與輸入電壓及輸出參考電壓無關(guān)，從而解決了COT控制DVS開關(guān)變換器的開關(guān)頻率隨輸出參考電壓變化而變化的問題。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，本文設(shè)計(jì)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(guān)電路參數(shù)代入式(4)，可計(jì)算出開關(guān)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(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)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(guān)頻率均為100kHz，這與理論計(jì)算一致。盡管輸出電壓不同，但導(dǎo)通時(shí)間的改變使得變換器的開關(guān)頻率保持不變，從而驗(yàn)證了CFOT控制技術(shù)的可行性。

圖3為不同輸入電壓時(shí)CFOT控制Buck變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，輸入電壓分別為8V和11V時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間發(fā)生變化，但變換器開關(guān)頻率仍均為100kHz，只是輸出電壓紋波有所變化。

圖4給出了負(fù)載電流Io在0.5～1A之間發(fā)生突變時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。負(fù)載電流發(fā)生突變時(shí)，幾乎沒有調(diào)節(jié)過程，且開關(guān)頻率均為100kHz，從而驗(yàn)證CFOT控制技術(shù)具有快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度。

4 結(jié)論

圖2 不同輸出電壓時(shí)CFOT控制Buck變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．2 Waveforms of CFOT controlled converter under different output voltages

圖3 不同輸入電壓時(shí)CFOT控制Buck變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)速度快、控制環(huán)路設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)。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(dǎo)通定時(shí)器，導(dǎo)通時(shí)間與輸出參考電壓和輸入電壓相關(guān)，從而確保不同輸入、輸出電壓情況下保持開關(guān)頻率的恒定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DVS開關(guān)變換器輸出電壓的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了CFOT控制技術(shù)的可行性。

圖4 CFOT控制Buck變換器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig．4 Waveforms of CFOT controlled converter load transient response

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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(xué)基金(51177140)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(2682013ZT20)資助項(xiàng)目

徐楊軍(1987-)，男，四川籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殚_關(guān)變換器拓?fù)浼捌淇刂萍夹g(shù);

許建平(1963-)，男，貴州籍，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殚_關(guān)變換器的控制方法、低電壓大電流電路拓?fù)浼翱刂撇呗匝芯?、電源管理技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)等。