基于輸入電壓前饋補償的開關變換器恒定導通時間控制技術

王金平 許建平 蘭燕妮 徐楊軍

（西南交通大學電氣工程學院 成都 610031）

1 引言

為實現高頻化、高效率、高功率因數以及良好的電磁干擾（Electromagnetic Interference, EMI）特性，開關變換器調制/控制技術的研究逐漸成為人們關注的焦點。開關變換器的調制方式主要有脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）、脈沖頻率調制（Pulse Frequency Modulation, PFM）以及PWM和PFM混合調制。傳統PWM調制開關變換器的響應速度慢，輕載效率低；PFM調制開關變換器雖然提高了輕載時的效率，但其變化的工作頻率，給濾波器的設計帶來了困難；混合調制模式電路設計較為復雜[1-3]。因此，人們一直在探索新的控制方法。

恒定導通時間（Constant On-Time, COT）控制技術是一種在工業界中得到廣泛應用的基于 PFM調制的技術[4-5]，它使開關變換器的功率開關管在一個固定的時間間隙內導通，通過控制關斷時間實現控制信號占空比的調節，以維持輸出電壓的穩定[6-8]。COT控制開關變換器具有瞬態響應速度快，系統設計簡單[9]，無需誤差放大器等優點。但是COT控制開關變換器的開關頻率隨著輸入電壓的變化而變化[10]，對EMI濾波器的優化設計帶來困難。為了解決這一問題，本文提出了一種基于輸入電壓前饋補償的COT（Input Voltage Feed-forward Compensated COT, IVFC-COT）控制技術。

IVFC-COT控制技術在 COT控制技術的基礎上，通過引入輸入電壓前饋環，使固定導通時間受輸入電壓控制，即在輸入電壓變動時通過調整固定導通時間，從而保持開關頻率恒定。IVFC-COT控制技術不僅繼承了COT控制環路設計簡單，無需誤差放大器，瞬態響應速度快等優點，還能使開關頻率在輸入電壓或負載波動時保持恒定。

2 COT控制及其改進

2.1 COT控制原理

圖1所示為COT控制Buck變換器電路及其主要控制信號。從圖1可以看出，COT控制器由比較器，RS觸發器和導通定時器（On Timer）組成。

圖1 COT控制Buck變換器Fig.1 COT controlled Buck converter

COT控制Buck變換器的工作原理為：變換器輸出電壓Vo與基準電壓Vref進行比較，當輸出電壓Vo低于Vref時，比較器輸出高電平，RS觸發器置位，其Q輸出高電平，功率開關管S導通，輸出電壓上升；開關管導通固定導通時間 TON后，導通定時器使觸發器復位，開關管S關斷，輸出電壓下降，當輸出電壓下降到 Vref時，開關管再次導通，進入下一個開關周期。

COT控制的固定導通時間 TON由導通定時器決定，一旦設計確定后，固定導通時間TON將不再變化。

當 Buck變換器工作在電感電流連續導電模式（Continuous Conduction Mode, CCM）時，其輸出輸入電壓傳輸比為

式中，D為控制脈沖占空比。

從而可得導通時間T 為

式中，fS為開關頻率，fS=1/TS。

當導通時間固定為TON時，開關頻率為

由式（3）可知，COT控制Buck變換器開關頻率與輸入電壓成反比。因此，當輸入電壓發生變化時，為維持輸出電壓穩定，控制器將調整功率開關管的關斷時間，即開關頻率隨輸入電壓的變化而變化，這將給濾波器的設計帶來困難。

2.2 IVFC-COT控制技術

為了解決 COT控制開關變換器的開關頻率隨輸入電壓的變動而變動的問題，提出了 IVFC-COT控制技術。

IVFC-COT控制框圖如圖 2a所示，它在 COT控制的基礎上，引入輸入電壓前饋環，作用于導通定時器，使導通定時器的導通時間隨輸入電壓的變動而變動，從而在保持開關頻率恒定的基礎上實現輸出電壓的調節。IVFC-COT控制與COT控制的工作過程基本一致，只有當輸入電壓發生變化時，兩者才呈現出差異。

IVFC-COT控制器中的導通定時器框圖如圖2b所示，其中 gVin為受輸入電壓 Vin控制的受控電流源，g為受控系數；S2為受RS觸發器端控制的開關，當Q為高電平時，S2閉合，否則S2斷開。當變換器輸入電壓發生變化時，受控電流源電流相應發生變化，并改變固定導通時間，從而維持開關頻率恒定。而當負載發生變化時，IVFC-COT與COT控制的工作過程一樣，這里不再贅述。

圖2 IVFC-COT控制Buck變換器Fig.2 IVFC-COT controlled Buck converter

對于圖2所示IVFC-COT控制Buck變換器，當輸出電壓Vo降至參考電壓 Vref時，RS觸發器置位，主功率開關管導通，導通定時器中開關S2斷開，電容C1端電壓VC1從零開始線性上升，可表示為

當VC1上升至門限電壓VTon時，RS觸發器復位，Buck變換器的功率開關管關斷，輸出電壓下降，開關 S2閉合，電容電壓 VC1下降到零；當 Buck變換器輸出電壓下降到 Vref時，進入下一個開關周期。由上面的描述可知，電容電壓 VC1由零上升至門限電壓VTon所需的時間決定了固定導通時間TON，即

從式（5）可以看出，IVFC-COT控制的導通時間與輸入電壓成反比，輸入電壓越高，導通時間越短。

令式（5）等于式（2），可得

式（6）給出了IVFC-COT控制Buck變換器的開關頻率與電路參數之間的關系。

對于IVFC-COT，從式（6）可以看出，由于輸入電壓前饋環路的作用，使得等式右側分子分母中同時存在輸入電壓項，因此消除了輸入電壓的影響，從而使得開關頻率與輸入電壓無關，解決了 COT控制開關頻率隨輸入電壓變化而變化的缺點。

此外，在進行IVFC-COT控制 Buck變換器設計時，一旦開關頻率fS選定后，導通定時器中受控電流源的受控系數g可以由下式確定

3 仿真和實驗研究

3.1 時域仿真

為了驗證IVFC-COT控制技術的可行性及控制性能，采用Pspice仿真軟件對IVFC-COT控制CCM Buck變換器電路進行仿真，并與具有相同主電路參數的COT控制Buck變換器進行對比。仿真參數如表所示。

表 IVFC-COT Buck變換器電路參數Tab. The parameters of the IVFC-COT Buck converter

當輸入電壓在1ms處由10V突變至20V時，COT和IVFC-COT控制Buck變換器輸入電壓瞬態響應如圖3所示，其中COT控制和IVFC-COT控制在 10V輸入電壓條件下的固定導通時間相同（2.5μs）。當輸入電壓突變至20V時，COT控制的固定導通時間維持不變，仍然為2.5μs，它通過降低開關頻率以減小控制信號的占空比，從而實現輸出電壓的調節；而IVFC-COT控制則通過輸入電壓前饋環的作用，在維持開關頻率不變的情況下，使固定導通時間減小至1.25μs，從而減小控制信號的占空比，實現輸出電壓的調節。從圖3可以看出，當輸入電壓增大時，COT控制Buck變換器的開關頻率降低，導致輸出電壓紋波的增大；而 IVFC-COT控制 Buck變換器的開關頻率保持恒定，因此具有比 COT控制更小的輸出電壓紋波。此外，從圖 3還可以看出，COT控制和IVFC-COT控制Buck變換器的輸入電壓瞬態響應速度非?？?，都僅需要一個開關周期的調整時間就達到新的穩態。

圖3 輸入電壓瞬態響應仿真圖Fig.3 Simulation results of input voltage transient response

圖4示出了COT和IVFC-COT控制Buck變換器負載瞬態響應仿真圖。從圖4可以看出，當負載電流在 1.2ms處由 0.5A突變至 1A時，COT和IVFC-COT控制Buck變換器具有相同的調節過程。此外，從圖中還可以看出，負載突變前后，無論COT控制還是IVFC-COT控制，變換器工作頻率均保持恒定。

圖4 負載瞬態響應仿真圖Fig.4 Simulation results of load transient response

3.2 實驗驗證

采用表所示電路參數搭建實驗系統，對IVFC-COT控制Buck變換器進行實驗驗證。

圖5給出了IVFC-COT控制Buck變換器在輸入電壓為10V和20V時的實驗結果，其中Vin、VD和ΔVo分別為輸入電壓、續流二極管陰極電壓和輸出電壓紋波。對比圖5a和圖5b可以看出，盡管輸入電壓發生明顯變化，但固定導通時間的改變使得系統的工作頻率保持恒定，與仿真結果一致，進而驗證IVFC-COT控制技術的可行性。

圖5 不同輸入電壓時IVFC-COT控制Buck變換器實驗結果Fig.5 Waveforms of the modified COT controlled converter under different input voltages

圖6為輸入電壓瞬態響應實驗結果。從圖中可以看出，當輸入電壓突然由20V降至10V時，輸出電壓的變化僅表現為紋波的增加，幾乎沒有調節過程，從而驗證IVFC-COT控制技術具有快速的輸入電壓瞬態響應速度。

圖6 輸入電壓瞬態響應實驗結果Fig.6 Experimental results of input voltage transient response

圖7給出了負載電流Io在0.5A到1A之間發生周期性變化時的實驗結果。與輸入電壓瞬態響應實驗結果類似，負載電流發生突變時，輸出電壓也僅表現為紋波的增大，幾乎沒有調節過程，從而驗證IVFC-COT控制技術具有快速的負載瞬態響應速度。

圖7 負載瞬態響應實驗結果Fig.7 Experimental results of load transient response

4 結論

IVFC-COT控制技術通過引入輸入電壓前饋，使輸入電壓直接控制導通定時器，使固定導通時間與輸入電壓相關，以此保持開關頻率的恒定。IVFC-COT控制具有COT控制瞬態響應速度快，控制環路設計簡單等優點，并解決了COT控制開關頻率隨輸入電壓變化而改變的缺點，從而降低了濾波器的設計難度。仿真及實驗結果驗證了 IVFC-COT控制技術的可行性。

[1]羅萍, 熊富貴, 張波等. PSM開關變換器的平均模型與特性分析[J]. 電工技術學報. 2005 , 20 (3)： 19-23.

Luo Ping, Li Zhaoji, Xiong Fugui, et al. Average mode of PSM switching converter and analysis of its characteristics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2005, 20(3): 19-23.

[2]Hamamura S, Kurose D, Ninomiya T, et al. New control method of piezoelectric transformer converter by PWM and PFM for wide range of input voltage[C].Proceedings of the IEEE Power Electronics Congress, 2000: 3-8.

[3]Hamamura S, Kurose D. Piezoelectric transformer AC-DC converter over a worldwide range of input voltage by combined PWM and PFM control[C]. Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2001：416-421.

[4]Wong L K, Man T K. LM3102 demonstration board reference design[S]. AN-1646, National Semiconductor,2007.

[5]LM2696 3A, Constant on time buck regulator,national semiconductor[S]. Data Sheet of Chip LM2696, 2005.

[6]Ridley R B. A new continuous-time model for current-mode control with constant frequency,constant on-time, and constant off-time, in CCM and DCM[C]. Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1990: 382-389.

[7]Hong S S, Choi B. Technique for developing averaged duty ratio model for DC-DC converters employing constant on- time control[J]. Electronics Letters, 2000,36(5): 397-1992．

[8]Wong L K, Man T K. Maximum frequency for hysteretic control COT buck converters[C].Proceedings of the IEEE Conference on Power Electronics and Motion Control. 2008: 475-478.

[9]沈霞, 王洪誠, 方瑋. 基于恒定導通時間的 V2控制方法研究[J]. 電測與儀表, 2009, 46(527): 72-76.

Shen Xia, Wang Hongcheng, Fang Wei. Research of the V2control method based on constant on time[J].Electrical Measurement and Instrumentation, 2009,46(527): 72-76.

[10]Xu X R, Wu X B, Yan X L. A quasi fixed frequency constant on time controlled boost converter[C].Proceedings of the IEEE Symposium on Circuits and Systems, 2008: 2206-2209.