【導讀】本文介紹一種創(chuàng)新的自適應穩(wěn)壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調(diào)制器(PWM)，基于“固定關斷時間(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)以恒定開關頻率工作，無轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)（例如，功率開關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(升壓、降壓、反激式等)，只與功率開關管柵極驅(qū)動邏輯信號(GD)有關，節(jié)省芯片引腳數(shù)量，且/或降低設計復雜程度。
意法半導體G. Gritti
摘要
本文介紹一種創(chuàng)新的自適應穩(wěn)壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調(diào)制器(PWM)，基于“固定關斷時間(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)以恒定開關頻率工作，無轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)（例如，功率開關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(升壓、降壓、反激式等)，只與功率開關管柵極驅(qū)動邏輯信號(GD)有關，節(jié)省芯片引腳數(shù)量，且/或降低設計復雜程度。
前言
在一個基于FOT控制方法的開關式轉(zhuǎn)換器內(nèi)，控制器使功率開關管的關斷時間(TOFF)固定不變，并調(diào)制功率開關的導通時間(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的導通時間固定不變，同時調(diào)制功率開關的關斷時間，調(diào)整轉(zhuǎn)換器的輸出電壓電流。最簡單的FOT或COT電路會導致開關頻率(FSW)顯著變化，這主要與輸入輸出電壓設置點和負載(CCM 或DCM模式)有關。具體地講，當負載降低時，開關頻率將會升高，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)制關斷時間，可以降低開關頻率(TOFFKt Vin, pksinθ), 如圖1所示，只要升壓級是CCM模式，最終開關頻率是恒定的[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)，假設是CCM模式且忽略寄生效應(例如，功率開關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，關于如何將開關頻率變化降到最小，[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模式下的理想開關頻率密切相關)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/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的導通時間(或關斷時間)，然后根據(jù)這個信息適時調(diào)制關斷或?qū)〞r間，最終取得恒定開關頻率。
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上的開關頻率紋波忽略不計，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用到開關周期，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:
在功率開關管關斷期間，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)束功率開關管的關斷時間(TOFF時間)：
解方程式(4)計算1/T(θ)值:
方程式(5)證明，最終開關頻率是恒定值，與輸入輸出電壓設置點無關，也與工況(CCM或DCM)和轉(zhuǎn)換器的寄生參數(shù)無關。
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)恒定開關頻率的自適應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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