朱池生 張琦

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

調(diào)頻模式的開關(guān)電源是開關(guān)信號(hào)脈寬較窄且固定，通過輸出反饋的情況調(diào)整開關(guān)管的工作頻率，以達(dá)到控制變壓器或電感輸入功率的目的，其優(yōu)點(diǎn)是輕載和超低功耗應(yīng)用時(shí)轉(zhuǎn)換效率較高。

Buck 電路一般有兩種工作模式，連續(xù)工作模式（CCM）和斷續(xù)工作模式（DCM）。斷續(xù)工作模式（DCM）下Buck電路，當(dāng)開關(guān)管的開通時(shí)間固定時(shí)，可以通過控制開關(guān)管的工作頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻工作模式。本文首先分析了傳統(tǒng)調(diào)頻Buck 電路的工作原理，然后分析了傳統(tǒng)調(diào)頻Buck 電路損耗大、效率低的缺點(diǎn)，并在基礎(chǔ)上研究了一種調(diào)頻調(diào)寬的工作模式。基于改進(jìn)后的調(diào)頻調(diào)寬工作模式，通過試驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的調(diào)頻調(diào)寬模式的Buck 電路不僅可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能，而且轉(zhuǎn)換效率較高。

2 原理與設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)頻Buck工作原理

圖1 為單相Buck 電路，將工作于DCM 模式Buck 電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)工作過程分為三個(gè)階段進(jìn)行分析，各個(gè)時(shí)間段內(nèi)的電壓電流波形如圖2 所示。其中DTs 為整流管的導(dǎo)通時(shí)間，Ts 為開關(guān)周期，V為Buck 電感兩端的電壓，i為流過Buck 電感的電流。

圖1： 單相Buck 電路圖

圖2： 單相Buck 電路調(diào)頻時(shí)序圖

第一階段（0-DTs）：在0 時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)電路開通整流管Q1，續(xù)流管Q2 處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)電感L1 兩端的電壓為輸入電壓Vin 和Buck 電路輸出電壓Vbus 的電壓差，電感電流i從0 開始隨著時(shí)間線性上升，在DTs 時(shí)刻，電感電流上升至峰值電流I。

根據(jù)電感中電流和電壓的關(guān)系，可以計(jì)算出在不同輸入電壓下電感電流上升時(shí)間：

第二階段（DTs-t1）：在DTs 時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷整流管Q1，由于電感存在電流，所以續(xù)流管Q2 中的體二極管導(dǎo)通。為了提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率，減小續(xù)流管Q2 的功耗，在延遲一定的死區(qū)后，驅(qū)動(dòng)電路開通續(xù)流管Q2。此時(shí)電感L1 兩端的電壓為Buck 電路輸出電壓Vbus，電感電流i從I開始隨著時(shí)間線性下降，在T1 時(shí)刻，電感電流下降為0 A。

根據(jù)電感中電流和電壓的關(guān)系，可以計(jì)算出在不同輸入電壓下電感電流下降時(shí)間：

式（2）中L為Buck 電感的電感量，L為流過電感的峰值電流。

第三階段（t1-Ts）：在t1 時(shí)刻，流過電感中的電流為0 A，續(xù)流管Q2 中的體二極管不再導(dǎo)通，此時(shí)整流管Q1 也處于關(guān)斷狀態(tài)，如果不考慮寄生參數(shù)的影響，電感兩端的電壓為0，直到Ts 時(shí)刻，從而完成整個(gè)開關(guān)周期。

根據(jù)式（1）和式（2），可以推導(dǎo)出Buck 電路的開關(guān)頻率為：

式（3）中I為Buck 電 路 的 輸 出 電 流，L為Buck 電感的電感量，I為流過電感的峰值電流。

從式（3）可以得出，Buck 電路的開關(guān)頻率與輸出電流存線性關(guān)系，而與輸入電壓存在非線性關(guān)系。

在圖2 時(shí)序圖中，當(dāng)Buck 電路的導(dǎo)通時(shí)間固定時(shí)，隨著輸入電壓的升高，電感電流峰值增大，從而導(dǎo)致MOSFET的開關(guān)損耗增大。

針對(duì)Buck 電路的變頻工作模式，研究了一種改進(jìn)型調(diào)頻調(diào)寬工作模式。

2.2 改進(jìn)型的調(diào)頻調(diào)寬Buck工作原理

圖3 為改進(jìn)型的單相Buck 電路調(diào)頻調(diào)寬電路框圖，對(duì)比傳統(tǒng)的單純調(diào)頻電路，圖3 中增加了開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算單元。Buck 電路輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較，經(jīng)過PID 單元后輸入到工作頻率計(jì)算單元。導(dǎo)通時(shí)間和工作頻率經(jīng)過邏輯運(yùn)算單元產(chǎn)生調(diào)頻調(diào)寬波形。隨著數(shù)字控制芯片的高速發(fā)展，以上三個(gè)計(jì)算單元可以通過單一數(shù)字控制芯片來實(shí)現(xiàn)。

圖3： 單相Buck 電路調(diào)頻調(diào)寬電路框圖

圖4 為單相Buck 電路調(diào)頻調(diào)寬工作模式時(shí)序圖。與圖2 不同的是，隨著輸入電壓的升高，通過減小開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，保持電感電流峰值不在明顯增大，這里設(shè)定為恒定值。

圖4： 單相Buck 電路調(diào)頻調(diào)寬時(shí)序圖

根據(jù)式（1）和式（2），重新推導(dǎo)出Buck 電路的開關(guān)頻率為：

2.3 仿真對(duì)比驗(yàn)證

通過相同的參數(shù)仿真，對(duì)比兩種變頻工作模式下的電感電流峰值情況和頻率調(diào)節(jié)范圍。

2.3.1 傳統(tǒng)調(diào)頻Buck 電路

以單相Buck 電路輸出210.5 W 為例，Buck 電感為0.23 μH，Buck 輸出電壓為9.7 V，Buck 輸出電流I為21.7 A。Buck 電路開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間選取依據(jù)是正好保證低端處于臨界連續(xù)模式，這里導(dǎo)通時(shí)間取1.6 μs。

通過仿真可以得到在16 V、24 V 和40 V 輸入電壓下Buck 電路電感電流波形如圖5(b)所示，從圖中可以看出，在低端16 V 輸入下，電感電流峰值為43 A，電流波形處于臨界連續(xù)模式。在高端40 V 輸入下，Buck 電感電感電流峰值已到210 A，這樣開關(guān)管的開關(guān)損耗很大。圖5(c)為傳統(tǒng)調(diào)頻Buck 電路頻率調(diào)節(jié)范圍，在固定導(dǎo)通時(shí)間1.6 μs時(shí)，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)范圍為31 KHz～375 KHz。

圖5： 調(diào)頻Buck 電路仿真波形

2.3.2 改進(jìn)型調(diào)頻調(diào)寬Buck 電路

同樣以單相Buck 電路輸出210.5 W 為例， Buck 電感為0.23 μH，Buck 輸出電壓為9.7 V，Buck 輸出電流Ib為21.7 A，假設(shè)電感峰值電流I在整個(gè)輸入電壓范圍16 V～40 V 內(nèi)均為57 A，通過仿真可以得到在16 V、24 V和40 V 輸入電壓下Buck 電路開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間如圖6(a)所示。從圖中可以看出為了保證Buck 電感電流峰值恒定，高端40V 輸入下的導(dǎo)通時(shí)間為0.433 μs，低端16V 輸入下的導(dǎo)通時(shí)間為2.08 μs。圖6(b)為恒定峰值電流情況下的電感電流波形，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)的頻率調(diào)節(jié)范圍為222 KHz～427 KHz 如圖6(c)所示。

圖6： 調(diào)頻調(diào)寬Buck 電路仿真波形

表1 為以上兩種工作模式的仿真結(jié)果對(duì)比表，從表中可以看出，調(diào)頻調(diào)寬模式Buck 具有更小的電感電流峰值，對(duì)轉(zhuǎn)換效率會(huì)有很大的提升。

表1： 仿真結(jié)果對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提調(diào)頻調(diào)寬工作模式Buck 電路可以提高產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率，搭建了一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)整體電路框圖如圖7 所示，整個(gè)主功率電路結(jié)構(gòu)由Buck+固定增益級(jí)級(jí)聯(lián)拓?fù)浣M成。固定增益級(jí)起到變壓和初次級(jí)隔離作用，固定增益級(jí)的變壓器初次級(jí)匝比為1:3，工作在固定頻率500 KHz上。

圖7： 樣機(jī)的功率電路結(jié)構(gòu)

Buck 級(jí)電路工作在變頻模式下，通過調(diào)節(jié)Buck 電路的工作頻率來調(diào)節(jié)產(chǎn)品的輸出電壓，從而使產(chǎn)品的輸出電壓穩(wěn)定。固定增益級(jí)用來實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的隔離，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)固定增益變壓功能。由于固定增益級(jí)增益的固定的，即Buck 級(jí)的輸出電壓Vbus 與輸出電壓Vout 的關(guān)系為：

式（6）中N 為固定增益級(jí)變壓器初次級(jí)匝比1/3，V為Buck 電路輸出，V為整個(gè)樣機(jī)的輸出。

由于Buck 電路是降壓電路，所以Buck 電路輸出電壓必須低于最低輸入電壓，針對(duì)16 V～40 V 輸入電壓范圍和額定28 V 輸出電壓，并且考慮輸出可調(diào)至110%，所以固定增益級(jí)的固定增益為1:3，考慮到PCB 導(dǎo)帶等阻抗，所以Buck電路輸出電壓為9.7 V 左右。由于整個(gè)產(chǎn)品的輸出功率為400 W，預(yù)設(shè)后級(jí)電路的轉(zhuǎn)換效率為95%，那么計(jì)算出Buck電路總的輸出功率為421 W，總的輸出電流為43.4 A，可以計(jì)算出每相Buck 電路的輸出電流為21.7 A。設(shè)置Buck 電感量為0.23 μH 和Buck 電感峰值電流為57 A。

通過對(duì)每相Buck 電路中續(xù)流管的漏極電壓波形進(jìn)行測(cè)試，圖8 為16 V、24 V 和40 V 輸入電壓下的Buck 電路續(xù)流管漏極電壓波形。根據(jù)漏極波形可以測(cè)量出開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而可以計(jì)算出電感電流的峰值,如表2 所示。

表2： 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖8： 圖7 中Vs1 和Vs2 波形

表2 為列出了三種輸入電壓情況下的導(dǎo)通時(shí)間、工作頻率、計(jì)算出來的峰值電流和轉(zhuǎn)換效率，從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，高端40 V 輸入下導(dǎo)通時(shí)間僅為0.45 μs，電感電流峰值為59.3 A。隨著輸入電壓的升高，工作頻率增大，轉(zhuǎn)換效率減小，但是40 V 輸入下的轉(zhuǎn)換效率并沒有減小很多。

4 結(jié)論

本文闡述了調(diào)頻Buck 電路的工作原理，分析了傳統(tǒng)調(diào)頻模式Buck 電路的缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上研究了改進(jìn)型的調(diào)頻調(diào)寬模式Buck 電路。通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明調(diào)頻調(diào)寬模式Buck 電路可以獲得全輸入電壓范圍內(nèi)較好的轉(zhuǎn)換效率。