創(chuàng )新的自適應脈寬調制器為固定通/斷時(shí)間可控的穩壓器提供恒定開(kāi)關(guān)頻率

　　摘要

　　本文介紹一種創(chuàng )新的自適應穩壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調制器(PWM) ，基于“固定關(guān)斷時(shí)間(FOT)”或“恒定導通時(shí)間(COT)”控制方法，可以在全工況下(例如，滿(mǎn)負載CCM或中低負載DCM模式，寬輸入輸出電壓) 以恒定開(kāi)關(guān)頻率工作，無(wú)轉換器的寄生參數(例如，功率開(kāi)關(guān)和濾波電感器的電阻)的負面影響。此外，本文提出的調制器電路與轉換器拓撲無(wú)關(guān)(升壓、降壓、反激式等)，只與功率開(kāi)關(guān)管柵極驅動(dòng)邏輯信號(GD)有關(guān)，節省芯片引腳數量，且/或降低設計復雜程度。

　　前言

　　在一個(gè)基于FOT控制方法的開(kāi)關(guān)式轉換器內，控制器使功率開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間(TOFF)固定不變，并調制功率開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間(TON)，以此調整輸出電壓或電流。反之亦然，COT控制方法是使功率開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間固定不變，同時(shí)調制功率開(kāi)關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，調整轉換器的輸出電壓電流。最簡(jiǎn)單的FOT或COT電路會(huì )導致開(kāi)關(guān)頻率(FSW)顯著(zhù)變化，這主要與輸入輸出電壓設置點(diǎn)和負載(CCM 或DCM模式)有關(guān)。具體地講，當負載降低時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率將會(huì )升高，導致能效降低或產(chǎn)生意外的特性(需要更寬的EMI濾波器)，這是一個(gè)眾所周知的技術(shù)缺點(diǎn)，不少文獻中都有記載解決這個(gè)問(wèn)題的辦法。

　　例如，用FOT方法控制CCM PFC前級升壓穩壓器，導致開(kāi)關(guān)頻率隨電網(wǎng)電壓和負載條件而發(fā)生明顯變化[1]。按照實(shí)時(shí)電網(wǎng)電壓調制關(guān)斷時(shí)間，可以降低開(kāi)關(guān)頻率(TOFF Kt Vin, pk sinθ), 如圖1所示，只要升壓級是CCM模式，最終開(kāi)關(guān)頻率是恒定的[2]，如圖1右圖所示。

　　圖1：電網(wǎng)電壓FOT調制PFC升壓轉換器(左); FSW對電網(wǎng)電壓(右)

　　COT被廣泛用于控制基于降壓[3-5]和升壓[6]拓撲的DC/DC轉換器。在降壓轉換器[3]內，假設是CCM模式且忽略寄生效應(例如，功率開(kāi)關(guān)和濾波電感器的電阻)，按照檢測到的輸入輸出電壓調制導通時(shí)間，可以產(chǎn)生恒定的開(kāi)關(guān)頻率。事實(shí)上，根據[4]-[5]，實(shí)現這個(gè)目標還需要檢測功率開(kāi)關(guān)上的電壓并按照該電壓對導通時(shí)間進(jìn)行深度調制。同樣的方法還用于COT 升壓轉換器[6]和FOT升壓轉換器[7]。值得注意地是，關(guān)于如何將開(kāi)關(guān)頻率變化降到最小，[2-7]給出的解決方法都是基于轉換器占空比估算值(這與CCM模式下的理想開(kāi)關(guān)頻率密切相關(guān))和檢測轉換器電網(wǎng)電氣參數(例如，輸入輸出電壓、功率開(kāi)關(guān)/電感器電壓降等)。

　　為解決前文提到的所有缺點(diǎn)，本文提出的調制器的主要思路是測量功率開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間(或關(guān)斷時(shí)間)，然后根據這個(gè)信息適時(shí)調制關(guān)斷或導通時(shí)間，最終取得恒定開(kāi)關(guān)頻率。

　　創(chuàng )新的調制器: 工作原理

　　圖 2 所示是我們提出的調制器(黑色的是FOT調制器，綠色的是COT調制器)，其中Q代表功率開(kāi)關(guān)管柵極驅動(dòng)邏輯信號，END-TOFF (END-TON)是調制器的輸出，其上升沿是TOFF (TON)時(shí)長(cháng);IR1和IR2恒定電流發(fā)生器。采用與圖[1]相同的符號表示法，VTH_RAMP和VRAMP電壓可以表示為2πfline t 的函數， T(θ)= TON(θ)+ TFW(θ)+TR(θ)=TON(θ)+ TOFF(θ)是開(kāi)關(guān)周期。

　　假設 T(θ) << Rt2 Ct2 << 1/fline，fline是電網(wǎng)電壓頻率， 電容Ct2上的開(kāi)關(guān)頻率紋波忽略不計，其平均值忠實(shí)地跟隨電網(wǎng)頻率變化。

　　以 FOT控制電路為例，通過(guò)將該電荷平衡應用到開(kāi)關(guān)周期，可以求出 Ct2上的平均電壓VTH_RAMP (θ)：

　　解方程式(1)求出VTH_RAMP (θ)電壓:

　　在功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，CR1電容的充電電流是IR1恒流，CR1電容上的電壓VRAMP (θ)線(xiàn)性升高：

　　只要(2)等于(3)，調制器立即結束功率開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間(TOFF時(shí)間)：

　　解方程式(4)計算1/T(θ)值:

　　方程式(5)證明，最終開(kāi)關(guān)頻率是恒定值，與輸入輸出電壓設置點(diǎn)無(wú)關(guān)，也與工況(CCM或DCM)和轉換器的寄生參數無(wú)關(guān)。

　　值得注意地是，本文提出的調制器僅基于轉換器功率開(kāi)關(guān)的柵極驅動(dòng)邏輯信號(Q)，因此，是一個(gè)適用于所有轉換器拓撲的通用調制器。

　　創(chuàng )新的調制器: 仿真實(shí)驗驗證

　　我們采用PSIM 仿真法在不同的拓撲(例如，DC/DC降壓COT、PFC升壓FOT、DC/DC反激式FOT轉換器等) 內測試并驗證圖2所示調制器。

　　因篇幅原因就不在這里贅述良好的測試結果，我們在PFC前級升壓穩壓器上通過(guò)實(shí)驗方法驗證這款創(chuàng )新的調制器的性能。

　　圖3和4分別是實(shí)驗波形和內置[2]的LM-FOT調制器的400W PFC [8]與這款創(chuàng )新的調制器的性能比較。

　　具體地講，圖3所示是開(kāi)關(guān)頻率在寬輸入電壓(230Vac-左和115Vac-右)范圍和所有負載條件中(CCM-左, DCM - 右)保持恒定。與標準LM-FOT方法相比，本文提出的創(chuàng )新調制器的性能大幅改進(jìn)，特別是在高壓線(xiàn)DCM運行模式更為明顯，如圖4所示。

　　圖 3：創(chuàng )新調制器的實(shí)驗波形：230Vac 滿(mǎn)載(左);115Vac輕載(右)

　　圖4：實(shí)驗數據比較: 230Vac輕載(DCM工作模式)

　　結束語(yǔ)和未來(lái)研究

　　本文提出一個(gè)創(chuàng )新的采用FOT/COT方法實(shí)現恒定開(kāi)關(guān)頻率的自適應PWM調制器，并通過(guò)仿真和實(shí)驗方法驗證了這個(gè)概念。在摘要中，我們介紹了這個(gè)調制器設計的工作原理。這篇論文的正文部分還將探討非理想因素(例如，Ct2 電容上的紋波)的重要影響和調制器小信號模型，以及更多信息和仿真驗證實(shí)驗結果。

　　參考文獻

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　　[8] "400 W FOT-controlled PFC pre-regulator with the L6563", STMicroelectronics Application Note, AN2485.