自适应脉宽调制器为可控稳压器提供恒定开关频率

摘要

本文介绍一种创新的自适应稳压器(AC/DC或DC/DC)脉宽调制器(PWM) ，基于“固定关断时间(FOT)”或“恒定导通时间(COT)”控制方法，可以在全工况下(例如，满负载CCM或中低负载DCM模式，宽输入输出电压) 以恒定开关频率工作，无转换器的寄生参数（例如，功率开关和滤波电感器的电阻）的负面影响。此外，本文提出的调制器电路与转换器拓扑无关(升压、降压、反激式等)，只与功率开关管栅极驱动逻辑信号(GD)有关，节省芯片引脚数量，且/或降低设计复杂程度。

前言

在一个基于FOT控制方法的开关式转换器内，控制器使功率开关管的关断时间(TOFF)固定不变，并调制功率开关的导通时间(TON)，以此调整输出电压或电流。反之亦然，COT控制方法是使功率开关的导通时间固定不变，同时调制功率开关的关断时间，调整转换器的输出电压电流。最简单的FOT或COT电路会导致开关频率(FSW)显著变化，这主要与输入输出电压设置点和负载(CCM 或DCM模式)有关。具体地讲，当负载降低时，开关频率将会升高，导致能效降低或产生意外的特性(需要更宽的EMI滤波器)，这是一个众所周知的技术缺点，不少文献中都有记载解决这个问题的办法。

例如，用FOT方法控制CCM PFC前级升压稳压器，导致开关频率随电网电压和负载条件而发生明显变化[1]。按照实时电网电压调制关断时间，可以降低开关频率(TOFF Kt Vin, pk sinθ), 如图1所示，只要升压级是CCM模式，最终开关频率是恒定的[2]，如图1右图所示。

COT被广泛用于控制基于降压[3-5]和升压[6]拓扑的DC/DC转换器。在降压转换器[3]内，假设是CCM模式且忽略寄生效应(例如，功率开关和滤波电感器的电阻)，按照检测到的输入输出电压调制导通时间，可以产生恒定的开关频率。事实上，根据[4]-[5]，实现这个目标还需要检测功率开关上的电压并按照该电压对导通时间进行深度调制。同样的方法还用于COT 升压转换器[6]和FOT升压转换器[7]。值得注意地是，关于如何将开关频率变化降到最小，[2-7]给出的解决方法都是基于转换器占空比估算值(这与CCM模式下的理想开关频率密切相关)和检测转换器电网电气参数(例如，输入输出电压、功率开关/电感器电压降等)。

为解决前文提到的所有缺点，本文提出的调制器的主要思路是测量功率开关的导通时间(或关断时间)，然后根据这个信息适时调制关断或导通时间，最终取得恒定开关频率。

创新的调制器: 工作原理

图 2 所示是我们提出的调制器(黑色的是FOT调制器，绿色的是COT调制器)，其中Q代表功率开关管栅极驱动逻辑信号，END-TOFF (END-TON)是调制器的输出，其上升沿是TOFF (TON)时长；IR1和IR2恒定电流发生器。采用与图[1]相同的符号表示法，VTH_RAMP和VRAMP电压可以表示为2πfline t  的函数， T（θ）= TON（θ）+ TFW（θ）+TR（θ）=TON（θ）+ TOFF（θ）是开关周期。

假设 T(θ) << Rt2 Ct2 << 1/fline，fline是电网电压频率， 电容Ct2上的开关频率纹波忽略不计，其平均值忠实地跟随电网频率变化。

以 FOT控制电路为例，通过将该电荷平衡应用到开关周期，可以求出 Ct2上的平均电压VTH_RAMP (θ)：

解方程式(1)求出VTH_RAMP (θ)电压:

在功率开关管关断期间，CR1电容的充电电流是IR1恒流，CR1电容上的电压VRAMP (θ)线性升高：

只要(2)等于(3)，调制器立即结束功率开关管的关断时间(TOFF时间)：

解方程式(4)计算1/T(θ)值:

方程式(5)证明，最终开关频率是恒定值，与输入输出电压设置点无关，也与工况(CCM或DCM)和转换器的寄生参数无关。

值得注意地是，本文提出的调制器仅基于转换器功率开关的栅极驱动逻辑信号(Q)，因此，是一个适用于所有转换器拓扑的通用调制器。

创新的调制器: 仿真实验验证

我们采用PSIM 仿真法在不同的拓扑(例如，DC/DC降压COT、PFC升压FOT、DC/DC反激式FOT转换器等) 内测试并验证图2所示调制器。

因篇幅原因就不在这里赘述良好的测试结果，我们在PFC前级升压稳压器上通过实验方法验证这款创新的调制器的性能。

图3和4分别是实验波形和内置[2]的LM-FOT调制器的400W PFC [8]与这款创新的调制器的性能比较。

具体地讲，图3所示是开关频率在宽输入电压(230Vac-左和115Vac-右)范围和所有负载条件中(CCM-左, DCM - 右)保持恒定。与标准LM-FOT方法相比，本文提出的创新调制器的性能大幅改进，特别是在高压线DCM运行模式更为明显，如图4所示。

图 3：创新调制器的实验波形：230Vac 满载(左)；115Vac轻载(右)

图4：实验数据比较: 230Vac轻载(DCM工作模式)

结束语和未来研究

本文提出一个创新的采用FOT/COT方法实现恒定开关频率的自适应PWM调制器，并通过仿真和实验方法验证了这个概念。在摘要中，我们介绍了这个调制器设计的工作原理。这篇论文的正文部分还将探讨非理想因素(例如，Ct2 电容上的纹波)的重要影响和调制器小信号模型，以及更多信息和仿真验证实验结果。

参考文献

[1] C. Adragna, "Fixed-Off-Time Control of PFC Pre-regulators", 10th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2003, Toulouse, France, paper 382.

[2] C. Adragna, S. De Simone and G. Gattavari, "New Fixed-Off-Time PWM modulator provides constant frequency operation in boost PFC pre-regulators", International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, SPEEDAM 2008, pp. 656-661.

[3] H.C.Lin, B.C Fung and T.Y Chang, "A Current Mode Adaptive On-Time Control Scheme for Fast Transient DC-DC Converters", International Symposium on Circuits and Systems, ISCS 2008, pp. 2602 - 2605.

[4] L.F.Shi and L.Y.Xu, "Frequency compensation circuit for adaptive on-time control buck regulator" IET Power Electron, 2014, Vol. 7, Iss.7, pp. 1805–1809.

[5] W.C.Chen, H.C.Chen, M.W.Chien, Y.W.Chou, K.H.Chen, Y.H. Lin, T.Y Tsai, S.R Lin, and C.C.Lee “Pseudo-Constant Switching Frequency in On-Time Controlled Buck Converter with Predicting Correction Techniques”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 31, Iss.5, pp. 3650 – 3662, May 2016.

[6] X. Xu, X. Wu and X. Yan, "A Quasi Fixed Frequency Constant On-Time Controlled Boost Converter", International Symposium on Circuits and Systems, ISCS 2008, pp. 2206-2209.

[7] M.C.Lee, X. Jing and P.K.T.Mok, "A 14V-Output Adaptive-Off-Time Boost Converter with Quasi-Fixed-Frequency in Full Loading Range", International Symposium of Circuits and Systems, ISCAS 2011, pp. 233-236.

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