恒流源负载固定导通时间V2控制Buck变换器研究

董伟，陈小龙，董锋格，任康成

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213001)

恒流源负载固定导通时间V2控制Buck变换器研究

董伟，陈小龙，董锋格，任康成

(常州星宇车灯股份有限公司，江苏常州 213001)

V2控制是基于输出电压纹波的双环电压型控制方法，具有对负载变化的超快响应速度，通常应用于对输出响应要求较高的开关变换器中。但在输出电容等效串联电阻(ESR)较小时，V2控制Buck变换器会工作在不稳定状态，往往出现开关频率变化、输出电压纹波偏大等现象。为改善这些缺点，提出固定导通时间V2控制技术，用导通定时器取代原先的时钟脉冲信号，使得开关变换器保留了V2控制的优点，同时可以应用恒定导通时间控制方法来计算合适的输出电容参数，降低了V2控制Buck变换器输出电容参数的计算难度，也避免了需要增加斜坡补偿来消除时钟脉冲占空比大于50%时的开环不稳定和次谐波振荡这一措施。PSIM电路仿真验证了分析的正确性。

V2控制；等效串联电阻；恒定导通时间控制；Buck变换器

0 引言

LED(Light Emitting Diode)照明对环境无污染，是一种难得的绿色光源，逐渐成为现代照明科技的一大亮点，也是发展低碳经济的必由之路。LED因其使用寿命长、发光效率高、体积小以及良好的抗震动特性在照明领域的应用越来越广泛[1]。自从奥迪家族第一款加装LED前灯的车型R8曝光以来，已有越来越多的汽车厂商推出了配有各式造型LED灯具的新款轿车，尤其是日本汽车对LED灯具的应用已相当广泛。LED灯具已被称为一生不需要更换灯泡的汽车车灯，是国际上汽车电子化中最耀眼的产品之一。LED灯具不断普及的同时也对驱动电源提出了更高的要求[2]。

发光二极管照明是今后电力电子的重要研究和应用方向[3]，其负载即LED端可等效为开关变换器的恒流源负载端。因此，带恒流源负载的开关变换器在未来照明电源领域具有很好的应用前景。V2型[4]Buck变换器利用ESR采样输出电容电流信息作为调制信号大幅度提高了负载响应速度[5]，该特性可用于控制恒流源型负载。然而现阶段，对于带恒流源负载的V2型控制Buck变换器鲜有研究。目前国内外关于V2控制开关变换器的研究文献大多集中于恒压输出的情况，鲜有针对恒流源负载应用的研究报道[6-7]。作者选择在不同ESR下对带恒流源负载的V2控制Buck变换器进行仿真研究。并根据V2控制Buck变换器的不足之处进行了相应的改进。

1 V2控制Buck变换器

1.1 工作原理

V2控制Buck变换器的电路原理图及其在CCM模式下的稳态工作波形如图1所示。在图1(a)中，功率级电路由输入电压E、开关管S、二极管D、电感L、输出电容C及其ESR和负载R′组成；控制电路由误差放大器、比较器、RS触发器、时钟脉冲CP构成。在开关周期开始时，时钟信号使锁存器输出VP为高电平，开关管S导通，二极管D关断，输出电压增加。当输出电压增加到控制电压Vk时，开关管S关断，直至下一个开关周期开始[5,8]。由图1(b)可以看出，输出电压Vo由输出电容电压V及其ESR两端电压组成，且存在如下关系：

Vo(t)=Hx=μ[V(t)+Ri(t)]

(1)

其中：

图1 V2控制Buck变换器

1.2 V2控制Buck变换器输出瞬态响应与分析

V2控制方法在稳态时的工作原理为，在每个周期开始时时钟信号使锁存器复位、开关管导通，开关电流IL由初始值线性增大。由于负载电流固定不变，所以该变化的电流完全通过滤波电容的ESR给滤波电容充电，从而在ESR上产生于电感电流斜率相同的压降，该电压即为内环采样电压。当输入电压下降时，电感两端压降的降低导致电感纹波电流上升沿斜率减小。由于输出电压纹波是电感电流纹波在输出电容ESR上的压降，所以输出电压纹波斜率也减小，误差放大器输出的PWM控制信号保持不变，占空比自动增大，以保证输出的功率不变。这一调整过程与电流型控制方法相同，因而在输入电压变化时V2控制方法和电流型控制方法具有同样快的瞬态响应速度。

电流型控制方法在负载变化的瞬间，不会引起电感电流纹波斜率变化，电流环检测不到这一变化，因而相对于V2控制方法响应速度慢。传统的电流型控制事实上是控制电感电流。但对于反激式变换器和Boost变换器拓扑，电感不在输出部分，电流型控制的许多优点体现不出来。V2控制方法由于内环检测点在输出部分，提高了Buck变换器和正激式变换器对输入和输出静态和动态变化的响应速度，解决了电流型控制方法存在的问题。

图2将给出在负载电流源突变时，V2控制Buck变换器输出电压和电感电流的波形和传统的电压型控制在负载突变时的输出波形，可以看出V2控制方法具有良好的瞬态响应特性和较小的输出纹波。

图2 负载突变时V2控制输出和传统的电压型控制输出

1.3 V2控制Buck变换器输出时域波形仿真

由上节分析可知，V2控制Buck变换器是一种新型的双环电压控制方法，具有快速的瞬态响应速度。为研究恒流源负载情况下各电路参数对开关变换器工作稳定性的影响，采用PSIM电路仿真软件对带有恒流源负载的V2控制Buck变换器进行时域仿真分析。选取如表1所示的电路参数。

表1 V2控制Buck变换器电路参数

由图3所示的仿真结果不难看出：当输出电容的等效串联电阻R=100 mΩ时，V2控制Buck变换器工作在不稳定状态，电感电流波动较大，输出电压纹波大致为150 mV。开关周期不确定，这会给输出级的滤波电路设计带来很大的困难。继续增大输出电容的等效串联电阻，当R=200 mΩ时，开关变换器工作在稳定状态，开关周期为定值，但输出电压纹波增大。因此，需要对恒流源负载情况下V2控制Buck变换器控制方法进行改进。

图3 不同ESR输出时域波形图

2 恒定导通时间V2控制Buck变换器

V2控制方法属于双环电压型控制,用输出电压的纹波代替了电流型控制方法中的电流纹波[9]，所以V2控制方法不但具有电流型控制方法的输入电压动态响应速度快、闭环系统稳定性高等优点,而且对负载的变化具有超快的响应速度。但是V2控制方法没有自动限流的功能,且输出电压纹波较大，同样需要增加斜坡补偿来消除时钟信号占空比大于50%时的开环不稳定和次谐波振荡[10]，因此在很大程度上制约了它的发展。

基于恒定导通时间V2(Constant On-time V2, COT-V2)控制方法是一种变频、非线性调制方法。其工作原理(见图4)为：每个开关周期开始时，控制器采样输出电压，输出电压同时通过内环和外环反馈，低带宽的外环误差放大器将Vref与输出电压的误差信号送入比较器的正输入端，内环将输出电压的纹波输入到比较器负端，当Buck变换器输出电压瞬时值Vo与误差信号进行比较产生驱动控制信号，导通定时器决定开关管的导通时间TON；开关管导通TON时间后，导通定时器输出一个窄脉冲，使RS触发器复位，开关管关断，输出电压下降；当输出电压下降到参考电压时，开关管再次导通，进入下一个开关周期。改进后的控制方法结构简单，不需要补偿环路以及时钟脉冲输入，易于实现。在负载较轻的情况下效率高，频率特性好，同样具有快速的瞬态响应，所以比较适用于恒流源负载等对瞬态响应要求较高的中小功率开关电源控制中。

图4 COT-V2电路原理图

将采用表1中的电路参数，设定合适的导通时间，在PSIM仿真软件中搭建相应的仿真电路,如图5所示。

图5 COT-V2控制Buck变换器PSIM仿真电路图

相比于上节的仿真电路，在RS触发器的R端加入了导通定时器，以替代时钟脉冲。这样的好处是免去了对时钟脉冲占空比小于50%的要求，扩大了其应用范围，同时减小了输出电压纹波。输出电容等效串联电阻的临界值可以根据已有文献的计算公式计算：

Rcritical=0.5TON/C

(1)

即输出电容的时间常数ESR值R大于式(1)所表示的临界值时， Buck变换器工作在稳定的周期振荡状态，否则工作在不稳定的次谐波振荡状态。计算难度远小于V2控制Buck的输出电容ESR临界值计算。

由图6所示的仿真结果可知：改进后的COT-V2控制Buck变换器不仅保持了V2控制的优点，而且使得输出电压纹波大大减小，大致在20 mV左右，提高了输出精度；同时开关变换器处于稳定工作状态。此外，恒定导通时间控制电路利用简单的电容充放电电路就可以实现，相比于时钟脉冲发生器可以大大节省设计成本。

图6 COT-V2控制Buck变换器PSIM仿真电路图

3 结论

在开关电源的控制技术中，传统的电压型控制仅仅通过检测输出电压进行单环反馈控制，虽然电路简单，但是对输入电压和负载变化的响应速度慢；而电流型控制方法采用电感电流和输出电压双环反馈控制，提高了对输入波动的响应速度，V2控制方法的控制内环采用电感电流纹波在输出滤波电容的等效串联电阻(ESR)上的压降代替电流型控制的电流检测信号，能够大大提高变换器的负载动态响应速度。作者在传统的V2控制方法基础上提出了恒定导通时间V2控制控制方法，不仅保留了V2控制的优点，同时避免了对时钟脉冲占空比小于50%的要求，减小了输出电压纹波，扩展了其应用范围。

【1】冯菊梅,王娟.浅谈LED在照明工程中的应用[J].照明工程学报,2012,23(2):10003-10004.

【2】钱慧君.关于LED汽车前照灯的应用研究[J].中国机械,2015(19):71-72.

【3】周国华，许建平，包伯成，等.电流源负载电流控制Buck变换器的复杂次谐波振荡现象[J].物理学报,2011,60(1):51-58. ZHOU G H,XU J P,BAO B C,et al.Complex Subharmonic Oscillation Phenomenon of Peak Current Controlled Buck Converter with Current Source Load[J].Acta Physica Sinica,2011,60(1):51-58.

【4】GODER D,PELLETIERW R.V2Architecture Provides Ultra-fast Transient Response in Switch Power Supplies[C]//Proceedings of HFPC Conference,1996:19-23.

【5】何圣仲,周国华,许建平，等.输出电容时间常数对V2控制Buck变换器的动力学特性的影响[J].物理学报,2014,63(13):25-36. HE S Z,ZHOU G H,XU J P,et al.Effect of Output Capacitance Time-constant on Dynamic Characteristics of V2-controlled Buck Converter[J].Acta Physica Sinica,2014,63(13):25-36.

【6】ZHOU G H,HE S Z,ZHANG X,et al.Critical Output-capacitor ESR for the Stability of V2Controlled Buck Converter in CCM and DCM[J].Electronics Letters,2014,50(12):884-886.

【7】魏文艳,焦振宏,秦鹏.Buck变换器V2控制方法改进及Matlab仿真 [J].计算机仿真,2007,24(6):216-219. WEI W Y,JIAO Z H,QIN P.Optimization of V2Controller for Buck Converters and Simulation by Matlab[J].Computer Simulation,2007,24(6):216-219.

【8】史国栋,杨艳,张希,等.电感与负载对V2控制Buck变换器的动力学影响[J].自动化仪表,2016,37(4):12-15. SHI G D,YANG Y,ZHANG X,et al.Dynamics Effects of Inductance and Load on V2-controlled Buck Converter[J].Process Automation Instrumentation,2016,37(4):12-15.

【9】周国华,许建平.开关变换器调制与控制技术综述[J].中国电机工程学报,2014,34(6):815-831. ZHOU G H,XU J P.A Review of Modulation and Control Techniques for Switching Converters[J].Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering,2014,34(6):815-831.

【10】杨平,包伯成,沙金,等.开关变换器斜坡补偿动力学机理研究[J].物理学报,2013,62(1):49-57. YANG P,BAO B C,SHA J,et al.Dynamical Mechanism of Ramp Compensation for Switching Converter[J].Acta Physica Sinica,2013,62(1):49-57.

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

董伟(1988—)，男，硕士，工程师，主要从事开关变换器控制技术及嵌入式系统研究。E-mail:shaoying@xyl.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.12.007

U461.2

A

1674-1986(2016)12-032-05