动态电压调节开关变换器的定频导通时间控制

徐杨军，许建平，王金平，何圣仲

(磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

动态电压调节开关变换器的定频导通时间控制

徐杨军，许建平，王金平，何圣仲

(磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室，西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

对动态电压调节(Dynamic Voltage Scaling，DVS)开关变换器的定频导通时间(Constant Frequency Turn-On Time，CFOT)控制技术进行了研究，在恒定导通时间(Constant On-Time，COT)基础上，通过引入输入电压前馈和输出参考电压反馈环路，实现不同输入、输出电压条件下DVS开关变换器保持开关频率恒定。研究结果表明，CFOT控制不仅继承了传统COT控制环路设计简单、无需误差放大器及其相应的补偿网路、瞬态响应快的优点，而且消除了输入、输出电压变动对开关频率的影响。

COT控制;CFOT控制;恒定频率;动态电压调节

1 引言

开关电源由于具有体积小、效率高和重量轻的优点，已经在多个领域取代了线性电源，开关电源技术已经成为电力电子领域一个最为活跃的分支，引起了电源技术研究人员的高度重视［1-3］。随着科学技术日新月异的发展，电子产品的功能越来越强大，其对电源的需求也越来越高。在保证电子产品性能和功能的前提下，为了降低电子产品的功率消耗，需要根据电子产品的工作模态动态调整其工作电压［4］。为了满足这种要求，本文研究了一种输出电压动态调节开关变换器的定频导通时间控制方法。

传统COT控制技术是一种在工业界得到广泛应用的基于PFM调制的技术。它具有瞬态响应速度快、系统设计简单［5］、无需误差放大器等优点。但由于传统COT控制是变频控制，开关变换器的开关频率会随着输入电压、输出电压的变化而变化，对EMI滤波器的优化设计带来困难。

在传统COT控制技术的基础上，本文提出了一种定频导通时间控制技术，通过引入输入电压前馈环和输出参考电压反馈环，使导通时间受输入电压和输出电压控制，即在输入电压或者输出电压变化时调整导通时间，以消除输入、输出电压对开关频率的影响，从而实现保持开关频率恒定。本文分析了CFOT控制技术的工作原理，实验结果验证CFOT控制技术消除了输入电压、输出电压对DVS开关变换器开关频率的影响。

2 CFOT控制技术

根据参考文献［6］可知，COT控制Buck变换器的开关频率为

由式(1)可知，COT控制Buck变换器的开关频率与输入电压成反比，与输出电压成正比，m为输出电压采样系数。因此，当输入电压或者输出参考电压发生变化时，为维持输出电压稳定，控制器将调整功率开关管的关断时间，即开关频率随输入电压或者输出参考电压的变化而变化，从而会给滤波器的设计带来困难。

［6］提出的基于输入电压前馈补偿的定导通时间(Input Voltage Feed-forward Compensated COT，IVFC-COT)控制技术在COT控制的基础上，引入输入电压前馈环作用于导通定时器，使导通定时器的导通时间随输入电压的变化而变化，而开关频率不随输入电压变化而变化。从而消除了输入电压对开关频率的影响，但是开关频率仍会随着输出电压变化而变化。

在传统COT控制的基础上，CFOT控制技术引入了输入电压前馈环和输出参考电压反馈环作用于导通定时器，使导通定时器的导通时间随输入电压和输出参考电压的变化而变化，从而保持开关频率恒定。CFOT控制原理如图1(a)所示，当输入电压变化时，它与IVFC-COT控制的工作过程基本一致，只有输出参考电压发生变化时，两者才呈现出差异。

图1 CFOT控制Buck变换器Fig．1 CFOT controlled Buck converter

如图1(b)所示，CFOT控制器的导通定时器中gVin为受输入电压Vin控制的受控电流源，g为受控电流源系数;kVref为受输出参考电压控制的受控电压源，k为受控电压源系数;S2为受RS触发器珚Q端控制的开关，当珚Q为高电平时，S2闭合，否则S2断开。当开关变换器输入电压发生变化时，受控电流源电流相应发生变化，从而改变导通时间，维持开关频率恒定;而当变换器输出参考电压发生变化时，受控电压源电压发生相应变化，同样会改变导通时间，以保持开关频率恒定。

图1(c)为CFOT控制器的主要控制信号，当输出电压Vo降至参考电压Vref时，RS触发器置位，主功率开关管导通，导通定时器中开关S2断开，电容C1端电压VC1从零开始线性上升，其端电压可表示为:

当VC1上升至门限电压kVref时，RS触发器复位，功率开关管关断，输出电压下降，开关S2闭合，电容电压VC1降为零;当输出电压下降到Vref时，进入下一个开关周期。

由上面描述可知，这种控制是基于输出电压纹波谷值的控制，与传统的COT控制类似，实际输出电压高于参考电压。要实现输出电压等于参考值Vref，可以将图1(a)中比较器正端处的Vref用另一个信号代替，该信号由输出电压与参考电压Vref的差值经误差放大器作用后产生，利用误差放大器消除输出电压的稳态误差，使实际输出电压等于参考电压值。但是，这种方式会增加一个控制环路，且需要对误差放大器进行补偿网络设计，增加了控制环路的设计难度。所以本文沿用传统COT控制的思路，没有引入额外的控制环路。

电容电压VC1由零上升至门限电压kVref所需的时间决定了固定导通时间TON，即:

从式(3)可以看出，CFOT控制的导通时间与输入电压成反比，与输出参考电压成正比。

将式(3)代入式(1)，可得:

式(4)给出了CFOT控制Buck变换器的开关频率与电路参数之间的关系，从式(4)可以看出，由于输入电压前馈环和输出参考电压反馈环的作用，使得开关频率表达式中不含有输入电压与输出参考电压，即开关频率与输入电压及输出参考电压无关，从而解决了COT控制DVS开关变换器的开关频率随输出参考电压变化而变化的问题。

3 实验验证

为了验证理论分析的正确性，本文设计了CFOT Buck变换器，其主要参数见表1。

表1 CFOT控制Buck变换器电路参数Tab．1 Parameters of CFOT Buck converter

将上述有关电路参数代入式(4)，可计算出开关频率fs=100kHz。

图2给出了CFOT控制Buck变换器在输入电压为10V，输出参考电压分别为3.3V和5V时的实验结果，其中Vin、VD、Vo和ΔVo分别为输入电压、续流二极管阴极电压、输出电压和输出电压纹波。对比图2(a)、图2(b)可以看出，输出电压可以稳定在3.3V及5V，开关频率均为100kHz，这与理论计算一致。尽管输出电压不同，但导通时间的改变使得变换器的开关频率保持不变，从而验证了CFOT控制技术的可行性。

图3为不同输入电压时CFOT控制Buck变换器实验结果。从图中可以看出，输入电压分别为8V和11V时，导通时间发生变化，但变换器开关频率仍均为100kHz，只是输出电压纹波有所变化。

图4给出了负载电流Io在0.5～1A之间发生突变时的实验结果。负载电流发生突变时，几乎没有调节过程，且开关频率均为100kHz，从而验证CFOT控制技术具有快速的负载瞬态响应速度。

4 结论

图2 不同输出电压时CFOT控制Buck变换器实验结果Fig．2 Waveforms of CFOT controlled converter under different output voltages

图3 不同输入电压时CFOT控制Buck变换器实验结果Fig．3 Waveforms of CFOT controlled converter under different input voltages

CFOT控制继承了传统COT控制瞬态响应速度快、控制环路设计简单等优点。它通过引入输出参考电压反馈和输入电压前馈，使输出参考电压与输入电压直接控制导通定时器，导通时间与输出参考电压和输入电压相关，从而确保不同输入、输出电压情况下保持开关频率的恒定，实现了对DVS开关变换器输出电压的控制。实验结果验证了CFOT控制技术的可行性。

图4 CFOT控制Buck变换器负载瞬态响应实验结果Fig．4 Waveforms of CFOT controlled converter load transient response

参考文献(References):

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［2］罗萍，熊富贵，张波，等 (Luo Ping，Xiong Fugui，Zhang Bo，et al．)．PSM开关变换器的平均模型与特性分析 (Average mode of PSM switching converter and analysis of its characteristics) ［J］．电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，2005，20(3):19-23．

［3］钱照明，张军民，吕征宇，等 (Qian Zhaoming，Zhang Junmin，Lv Zhengyu，et al．)．我国电力电子与电力传动面临的挑战与机遇 (Challenge and opportunity for power electronics and electrical drive in China)［J］．电工技术学报 (Transactions of China Electrotechnical Society)，2004，19(8):10-22．

［4］Luo Feng，Dongsheng Ma．Integrated adaptive step-up/ down switching DC-DC converter with tri-band tri-mode digital control for dynamic voltage scaling［A］．IEEE ISIE［C］．2008.142-147．

［5］沈霞，王洪诚，方玮 (Shen Xia，Wang Hongcheng，Fang Wei)．基于恒定导通时间的V2控制方法研究(Research of the V2control method based on constant on time) ［J］．电测与仪表 (Electrical Measurement and Instrumentation)，2009，46(11):72-76．

［6］王金平，许建平，兰燕妮，等 (Wang Jinping，Xu Jianping，Lan Yanni，et al．)．基于输入电压前馈补偿的开关变换器恒定导通时间控制技术 (Constant on-time control of switching DC-DC converters based on input voltage feed-forward compensation)［J］．电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，2012，27(2):18-22．

Constant frequency turn-on time control of dynamic voltage scaling switching converters

XU Yang-jun，XU Jian-ping，WANG Jin-ping，HE Sheng-zhong
(Key Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle，Ministry of Education，School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Constant Turn-On Time(COT)control technique has been widely used for industrial application．It regulates output voltage of switching converter by adjusting variation of switch frequency．Constant Frequency Turn-On Time(CFOT)control of dynamic voltage scaling switching converters is proposed in this paper．Based on the Constant On-Time，by the introduction of the input voltage feed-forward and output reference voltage feedback loop constant switching operating frequency under different input and/or output voltage conditions is realized．Research results show that similar to COT control technique，CFOT also benefits simple control loop and fast transient re-sponse，moreover，error amplifier and its corresponding compensation network are not needed．In addition，it can make the switching frequency independent of the variation of input voltage and output voltage．

COT control;CFOT control;constant frequency;dynamic voltage scaling

TM46

A

1003-3076(2014)07-0028-05

2013-06-27

国家自然科学基金(51177140)、中央高校基本科研业务费专项基金(2682013ZT20)资助项目

徐杨军(1987-)，男，四川籍，硕士研究生，研究方向为开关变换器拓扑及其控制技术;

许建平(1963-)，男，贵州籍，教授，博士生导师，研究方向为开关变换器的控制方法、低电压大电流电路拓扑及控制策略研究、电源管理技术、功率因数校正技术等。