董偉，陳小龍，董鋒格，任康成

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213001)

恒流源負載固定導通時間V2控制Buck變換器研究

董偉，陳小龍，董鋒格，任康成

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213001)

V2控制是基于輸出電壓紋波的雙環(huán)電壓型控制方法，具有對負載變化的超快響應速度，通常應用于對輸出響應要求較高的開關變換器中。但在輸出電容等效串聯(lián)電阻(ESR)較小時，V2控制Buck變換器會工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，往往出現(xiàn)開關頻率變化、輸出電壓紋波偏大等現(xiàn)象。為改善這些缺點，提出固定導通時間V2控制技術，用導通定時器取代原先的時鐘脈沖信號，使得開關變換器保留了V2控制的優(yōu)點，同時可以應用恒定導通時間控制方法來計算合適的輸出電容參數，降低了V2控制Buck變換器輸出電容參數的計算難度，也避免了需要增加斜坡補償來消除時鐘脈沖占空比大于50%時的開環(huán)不穩(wěn)定和次諧波振蕩這一措施。PSIM電路仿真驗證了分析的正確性。

V2控制；等效串聯(lián)電阻；恒定導通時間控制；Buck變換器

0 引言

LED(Light Emitting Diode)照明對環(huán)境無污染，是一種難得的綠色光源，逐漸成為現(xiàn)代照明科技的一大亮點，也是發(fā)展低碳經濟的必由之路。LED因其使用壽命長、發(fā)光效率高、體積小以及良好的抗震動特性在照明領域的應用越來越廣泛[1]。自從奧迪家族第一款加裝LED前燈的車型R8曝光以來，已有越來越多的汽車廠商推出了配有各式造型LED燈具的新款轎車，尤其是日本汽車對LED燈具的應用已相當廣泛。LED燈具已被稱為一生不需要更換燈泡的汽車車燈，是國際上汽車電子化中最耀眼的產品之一。LED燈具不斷普及的同時也對驅動電源提出了更高的要求[2]。

發(fā)光二極管照明是今后電力電子的重要研究和應用方向[3]，其負載即LED端可等效為開關變換器的恒流源負載端。因此，帶恒流源負載的開關變換器在未來照明電源領域具有很好的應用前景。V2型[4]Buck變換器利用ESR采樣輸出電容電流信息作為調制信號大幅度提高了負載響應速度[5]，該特性可用于控制恒流源型負載。然而現(xiàn)階段，對于帶恒流源負載的V2型控制Buck變換器鮮有研究。目前國內外關于V2控制開關變換器的研究文獻大多集中于恒壓輸出的情況，鮮有針對恒流源負載應用的研究報道[6-7]。作者選擇在不同ESR下對帶恒流源負載的V2控制Buck變換器進行仿真研究。并根據V2控制Buck變換器的不足之處進行了相應的改進。

1 V2控制Buck變換器

1.1 工作原理

V2控制Buck變換器的電路原理圖及其在CCM模式下的穩(wěn)態(tài)工作波形如圖1所示。在圖1(a)中，功率級電路由輸入電壓E、開關管S、二極管D、電感L、輸出電容C及其ESR和負載R′組成；控制電路由誤差放大器、比較器、RS觸發(fā)器、時鐘脈沖CP構成。在開關周期開始時，時鐘信號使鎖存器輸出VP為高電平，開關管S導通，二極管D關斷，輸出電壓增加。當輸出電壓增加到控制電壓Vk時，開關管S關斷，直至下一個開關周期開始[5,8]。由圖1(b)可以看出，輸出電壓Vo由輸出電容電壓V及其ESR兩端電壓組成，且存在如下關系：

Vo(t)=Hx=μ[V(t)+Ri(t)]

(1)

其中：

圖1 V2控制Buck變換器

1.2 V2控制Buck變換器輸出瞬態(tài)響應與分析

V2控制方法在穩(wěn)態(tài)時的工作原理為，在每個周期開始時時鐘信號使鎖存器復位、開關管導通，開關電流IL由初始值線性增大。由于負載電流固定不變，所以該變化的電流完全通過濾波電容的ESR給濾波電容充電，從而在ESR上產生于電感電流斜率相同的壓降，該電壓即為內環(huán)采樣電壓。當輸入電壓下降時，電感兩端壓降的降低導致電感紋波電流上升沿斜率減小。由于輸出電壓紋波是電感電流紋波在輸出電容ESR上的壓降，所以輸出電壓紋波斜率也減小，誤差放大器輸出的PWM控制信號保持不變，占空比自動增大，以保證輸出的功率不變。這一調整過程與電流型控制方法相同，因而在輸入電壓變化時V2控制方法和電流型控制方法具有同樣快的瞬態(tài)響應速度。

電流型控制方法在負載變化的瞬間，不會引起電感電流紋波斜率變化，電流環(huán)檢測不到這一變化，因而相對于V2控制方法響應速度慢。傳統(tǒng)的電流型控制事實上是控制電感電流。但對于反激式變換器和Boost變換器拓撲，電感不在輸出部分，電流型控制的許多優(yōu)點體現(xiàn)不出來。V2控制方法由于內環(huán)檢測點在輸出部分，提高了Buck變換器和正激式變換器對輸入和輸出靜態(tài)和動態(tài)變化的響應速度，解決了電流型控制方法存在的問題。

圖2將給出在負載電流源突變時，V2控制Buck變換器輸出電壓和電感電流的波形和傳統(tǒng)的電壓型控制在負載突變時的輸出波形，可以看出V2控制方法具有良好的瞬態(tài)響應特性和較小的輸出紋波。

圖2 負載突變時V2控制輸出和傳統(tǒng)的電壓型控制輸出

1.3 V2控制Buck變換器輸出時域波形仿真

由上節(jié)分析可知，V2控制Buck變換器是一種新型的雙環(huán)電壓控制方法，具有快速的瞬態(tài)響應速度。為研究恒流源負載情況下各電路參數對開關變換器工作穩(wěn)定性的影響，采用PSIM電路仿真軟件對帶有恒流源負載的V2控制Buck變換器進行時域仿真分析。選取如表1所示的電路參數。

表1 V2控制Buck變換器電路參數

由圖3所示的仿真結果不難看出：當輸出電容的等效串聯(lián)電阻R=100 mΩ時，V2控制Buck變換器工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，電感電流波動較大，輸出電壓紋波大致為150 mV。開關周期不確定，這會給輸出級的濾波電路設計帶來很大的困難。繼續(xù)增大輸出電容的等效串聯(lián)電阻，當R=200 mΩ時，開關變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài)，開關周期為定值，但輸出電壓紋波增大。因此，需要對恒流源負載情況下V2控制Buck變換器控制方法進行改進。

圖3 不同ESR輸出時域波形圖

2 恒定導通時間V2控制Buck變換器

V2控制方法屬于雙環(huán)電壓型控制,用輸出電壓的紋波代替了電流型控制方法中的電流紋波[9]，所以V2控制方法不但具有電流型控制方法的輸入電壓動態(tài)響應速度快、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點,而且對負載的變化具有超快的響應速度。但是V2控制方法沒有自動限流的功能,且輸出電壓紋波較大，同樣需要增加斜坡補償來消除時鐘信號占空比大于50%時的開環(huán)不穩(wěn)定和次諧波振蕩[10]，因此在很大程度上制約了它的發(fā)展。

基于恒定導通時間V2(Constant On-time V2, COT-V2)控制方法是一種變頻、非線性調制方法。其工作原理(見圖4)為：每個開關周期開始時，控制器采樣輸出電壓，輸出電壓同時通過內環(huán)和外環(huán)反饋，低帶寬的外環(huán)誤差放大器將Vref與輸出電壓的誤差信號送入比較器的正輸入端，內環(huán)將輸出電壓的紋波輸入到比較器負端，當Buck變換器輸出電壓瞬時值Vo與誤差信號進行比較產生驅動控制信號，導通定時器決定開關管的導通時間TON；開關管導通TON時間后，導通定時器輸出一個窄脈沖，使RS觸發(fā)器復位，開關管關斷，輸出電壓下降；當輸出電壓下降到參考電壓時，開關管再次導通，進入下一個開關周期。改進后的控制方法結構簡單，不需要補償環(huán)路以及時鐘脈沖輸入，易于實現(xiàn)。在負載較輕的情況下效率高，頻率特性好，同樣具有快速的瞬態(tài)響應，所以比較適用于恒流源負載等對瞬態(tài)響應要求較高的中小功率開關電源控制中。

圖4 COT-V2電路原理圖

將采用表1中的電路參數，設定合適的導通時間，在PSIM仿真軟件中搭建相應的仿真電路,如圖5所示。

圖5 COT-V2控制Buck變換器PSIM仿真電路圖

相比于上節(jié)的仿真電路，在RS觸發(fā)器的R端加入了導通定時器，以替代時鐘脈沖。這樣的好處是免去了對時鐘脈沖占空比小于50%的要求，擴大了其應用范圍，同時減小了輸出電壓紋波。輸出電容等效串聯(lián)電阻的臨界值可以根據已有文獻的計算公式計算：

Rcritical=0.5TON/C

(1)

即輸出電容的時間常數ESR值R大于式(1)所表示的臨界值時， Buck變換器工作在穩(wěn)定的周期振蕩狀態(tài)，否則工作在不穩(wěn)定的次諧波振蕩狀態(tài)。計算難度遠小于V2控制Buck的輸出電容ESR臨界值計算。

由圖6所示的仿真結果可知：改進后的COT-V2控制Buck變換器不僅保持了V2控制的優(yōu)點，而且使得輸出電壓紋波大大減小，大致在20 mV左右，提高了輸出精度；同時開關變換器處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。此外，恒定導通時間控制電路利用簡單的電容充放電電路就可以實現(xiàn)，相比于時鐘脈沖發(fā)生器可以大大節(jié)省設計成本。

圖6 COT-V2控制Buck變換器PSIM仿真電路圖

3 結論

在開關電源的控制技術中，傳統(tǒng)的電壓型控制僅僅通過檢測輸出電壓進行單環(huán)反饋控制，雖然電路簡單，但是對輸入電壓和負載變化的響應速度慢；而電流型控制方法采用電感電流和輸出電壓雙環(huán)反饋控制，提高了對輸入波動的響應速度，V2控制方法的控制內環(huán)采用電感電流紋波在輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)上的壓降代替電流型控制的電流檢測信號，能夠大大提高變換器的負載動態(tài)響應速度。作者在傳統(tǒng)的V2控制方法基礎上提出了恒定導通時間V2控制控制方法，不僅保留了V2控制的優(yōu)點，同時避免了對時鐘脈沖占空比小于50%的要求，減小了輸出電壓紋波，擴展了其應用范圍。

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【2】錢慧君.關于LED汽車前照燈的應用研究[J].中國機械,2015(19):71-72.

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Research on Constant On-time V2Controlled Buck Converter with Constant Current Source Load

DONG Wei,CHEN Xiaolong,DONG Fengge,REN Kangcheng

(Changzhou Xingyu Automotive Lighting Systems Co.,Ltd., Changzhou Jiangsu 213001,China)

V2control is a double voltage control method based on output voltage ripple; it has a fast transient response speed, so it is suitable for various applications which require fast transient response. However, when equivalent series resistance (ESR) of output capacitor is small, the V2controlled buck converter works in instability state, which will cause variable-frequency and high output ripple. In order to avoid the disadvantages, constant on-time V2control method was proposed by adding an on-timer to replace the clock signal,so the V2controlled advantages were retained, and constant on-time control method could be used to calculate the proper capacitance parameter. In this case, the difficulties of calculating capacitance parameter for V2controlled buck converter were reduced, and it was also avoided slope compensation should be added to eliminate the open loop instability and sub-harmonic oscillation when clock signal’s duty exceeded 50%. PSIM simulation results have proved the analysis conclusion.

V2control; Equivalent series resistance;Constant on-time control; Buck converter

2016-09-01

董偉(1988—)，男，碩士，工程師，主要從事開關變換器控制技術及嵌入式系統(tǒng)研究。E-mail:shaoying@xyl.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.007

U461.2

A

1674-1986(2016)12-032-05