【導讀】本文介紹一種創(chuàng)新的自適應(yīng)穩(wěn)壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調(diào)制器(PWM)，基于“固定關(guān)斷時間(FOT)”或“恒定導通時間(COT)”控制方法，可以在全工況下(例如，滿負載CCM或中低負載DCM模式，寬輸入輸出電壓)以恒定開關(guān)頻率工作，無轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)（例如，功率開關(guān)和濾波電感器的電阻）的負面影響。此外，本文提出的調(diào)制器電路與轉(zhuǎn)換器拓撲無關(guān)(升壓、降壓、反激式等)，只與功率開關(guān)管柵極驅(qū)動邏輯信號(GD)有關(guān)，節(jié)省芯片引腳數(shù)量，且/或降低設(shè)計復雜程度。
意法半導體G. Gritti
摘要
本文介紹一種創(chuàng)新的自適應(yīng)穩(wěn)壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調(diào)制器(PWM)，基于“固定關(guān)斷時間(FOT)”或“恒定導通時間(COT)”控制方法，可以在全工況下(例如，滿負載CCM或中低負載DCM模式，寬輸入輸出電壓)以恒定開關(guān)頻率工作，無轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)（例如，功率開關(guān)和濾波電感器的電阻）的負面影響。此外，本文提出的調(diào)制器電路與轉(zhuǎn)換器拓撲無關(guān)(升壓、降壓、反激式等)，只與功率開關(guān)管柵極驅(qū)動邏輯信號(GD)有關(guān)，節(jié)省芯片引腳數(shù)量，且/或降低設(shè)計復雜程度。
前言
在一個基于FOT控制方法的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器內(nèi)，控制器使功率開關(guān)管的關(guān)斷時間(TOFF)固定不變，并調(diào)制功率開關(guān)的導通時間(TON)，以此調(diào)整輸出電壓或電流。反之亦然，COT控制方法是使功率開關(guān)的導通時間固定不變，同時調(diào)制功率開關(guān)的關(guān)斷時間，調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓電流。最簡單的FOT或COT電路會導致開關(guān)頻率(FSW)顯著變化，這主要與輸入輸出電壓設(shè)置點和負載(CCM 或DCM模式)有關(guān)。具體地講，當負載降低時，開關(guān)頻率將會升高，導致能效降低或產(chǎn)生意外的特性(需要更寬的EMI濾波器)，這是一個眾所周知的技術(shù)缺點，不少文獻中都有記載解決這個問題的辦法。
例如，用FOT方法控制CCM PFC前級升壓穩(wěn)壓器，導致開關(guān)頻率隨電網(wǎng)電壓和負載條件而發(fā)生明顯變化[1]。按照實時電網(wǎng)電壓調(diào)制關(guān)斷時間，可以降低開關(guān)頻率(TOFFKt Vin, pksinθ), 如圖1所示，只要升壓級是CCM模式，最終開關(guān)頻率是恒定的[2]，如圖1右圖所示。
COT被廣泛用于控制基于降壓[3-5]和升壓[6]拓撲的DC/DC轉(zhuǎn)換器。在降壓轉(zhuǎn)換器[3]內(nèi)，假設(shè)是CCM模式且忽略寄生效應(yīng)(例如，功率開關(guān)和濾波電感器的電阻)，按照檢測到的輸入輸出電壓調(diào)制導通時間，可以產(chǎn)生恒定的開關(guān)頻率。事實上，根據(jù)[4]-[5]，實現(xiàn)這個目標還需要檢測功率開關(guān)上的電壓并按照該電壓對導通時間進行深度調(diào)制。同樣的方法還用于COT 升壓轉(zhuǎn)換器[6]和FOT升壓轉(zhuǎn)換器[7]。值得注意地是，關(guān)于如何將開關(guān)頻率變化降到最小，[2-7]給出的解決方法都是基于轉(zhuǎn)換器占空比估算值(這與CCM模式下的理想開關(guān)頻率密切相關(guān))和檢測轉(zhuǎn)換器電網(wǎng)電氣參數(shù)(例如，輸入輸出電壓、功率開關(guān)/電感器電壓降等)。
為解決前文提到的所有缺點，本文提出的調(diào)制器的主要思路是測量功率開關(guān)的導通時間(或關(guān)斷時間)，然后根據(jù)這個信息適時調(diào)制關(guān)斷或?qū)〞r間，最終取得恒定開關(guān)頻率。
創(chuàng)新的調(diào)制器: 工作原理
圖 2 所示是我們提出的調(diào)制器(黑色的是FOT調(diào)制器，綠色的是COT調(diào)制器)，其中Q代表功率開關(guān)管柵極驅(qū)動邏輯信號，END-TOFF (END-TON)是調(diào)制器的輸出，其上升沿是TOFF (TON)時長；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(shù)，T（θ）= TON（θ）+ TFW（θ）+TR（θ）=TON（θ）+ TOFF（θ）是開關(guān)周期。
假設(shè) T(θ) << Rt2 Ct2 << 1/fline，fline是電網(wǎng)電壓頻率，電容Ct2上的開關(guān)頻率紋波忽略不計，其平均值忠實地跟隨電網(wǎng)頻率變化。
以FOT控制電路為例，通過將該電荷平衡應(yīng)用到開關(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)線性升高：
只要(2)等于(3)，調(diào)制器立即結(jié)束功率開關(guān)管的關(guān)斷時間(TOFF時間)：
解方程式(4)計算1/T(θ)值:
方程式(5)證明，最終開關(guān)頻率是恒定值，與輸入輸出電壓設(shè)置點無關(guān)，也與工況(CCM或DCM)和轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)無關(guān)。
值得注意地是，本文提出的調(diào)制器僅基于轉(zhuǎn)換器功率開關(guān)的柵極驅(qū)動邏輯信號(Q)，因此，是一個適用于所有轉(zhuǎn)換器拓撲的通用調(diào)制器。
創(chuàng)新的調(diào)制器: 仿真實驗驗證
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(zhuǎn)換器等)內(nèi)測試并驗證圖2所示調(diào)制器。
因篇幅原因就不在這里贅述良好的測試結(jié)果，我們在PFC前級升壓穩(wěn)壓器上通過實驗方法驗證這款創(chuàng)新的調(diào)制器的性能。
圖3和4分別是實驗波形和內(nèi)置[2]的LM-FOT調(diào)制器的400W PFC [8]與這款創(chuàng)新的調(diào)制器的性能比較。
具體地講，圖3所示是開關(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(diào)制器的性能大幅改進，特別是在高壓線DCM運行模式更為明顯，如圖4所示。
結(jié)束語和未來研究
本文提出一個創(chuàng)新的采用FOT/COT方法實現(xiàn)恒定開關(guān)頻率的自適應(yīng)PWM調(diào)制器，并通過仿真和實驗方法驗證了這個概念。在摘要中，我們介紹了這個調(diào)制器設(shè)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(diào)制器小信號模型，以及更多信息和仿真驗證實驗結(jié)果。
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