摘要

　　本文介紹一種創新的自適應穩壓器(AC/DC或DC/DC)脈寬調制器(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，無轉換器的寄生參數(例如，功率開關和濾波電感器的電阻)的負面影響。此外，本文提出的調制器電路與轉換器拓撲無關(升壓、降壓、反激式等)，只與功率開關管柵極驅動邏輯信號(GD)有關，節省芯片引腳數量，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換器內，控制器使功率開關管的關斷時間(TOFF)固定不變，并調制功率開關的導通時間(TON)，以此調整輸出電壓或電流。反之亦然，COT控制方法是使功率開關的導通時間固定不變，同時調制功率開關的關斷時間，調整轉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前級升壓穩壓器，導致開關頻率隨電網電壓和負載條件而發生明顯變化[1]。按照實時電網電壓調制關斷時間，可以降低開關頻率(TOFF Kt Vin, pk sinθ), 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。

　　圖1：電網電壓FOT調制PFC升壓轉換器(左); FSW對電網電壓(右)

　　COT被廣泛用于控制基于降壓[3-5]和升壓[6]拓撲的DC/DC轉換器。在降壓轉換器[3]內，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制導通時間，可以產生恒定的開關頻率。事實上，根據[4]-[5]，實現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制。同樣的方法還用于COT 升壓轉換器[6]和FOT升壓轉換器[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)和檢測轉換器電網電氣參數(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)，然后根據這個信息適時調制關斷或導通時間，最終取得恒定開關頻率。

　　創新的調制器: 工作原理

　　圖 2 所示是我們提出的調制器(黑色的是FOT調制器，綠色的是COT調制器)，其中Q代表功率開關管柵極驅動邏輯信號，END-TOFF (END-TON)是調制器的輸出，其上升沿是TOFF (TON)時長;IR1和IR2恒定電流發生器。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， 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)，調制器立即結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)和轉換器的寄生參數無關。

　　值得注意地是，本文提出的調制器僅基于轉換器功率開關的柵極驅動邏輯信號(Q)，因此，是一個適用于所有轉換器拓撲的通用調制器。

　　創新的調制器: 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轉換器等) 內測試并驗證圖2所示調制器。

　　因篇幅原因就不在這里贅述良好的測試結果，我們在PFC前級升壓穩壓器上通過實驗方法驗證這款創新的調制器的性能。

　　圖3和4分別是實驗波形和內置[2]的LM-FOT調制器的400W PFC [8]與這款創新的調制器的性能比較。

　　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，本文提出的創新調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。

　　圖 3：創新調制器的實驗波形：230Vac 滿載(左);115Vac輕載(右)

　　圖4：實驗數據比較: 230Vac輕載(DCM工作模式)

　　結束語和未來研究

　　本文提出一個創新的采用FOT/COT方法實現恒定開關頻率的自適應PWM調制器，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)的重要影響和調制器小信號模型，以及更多信息和仿真驗證實驗結果。

　　參考文獻

　　[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.