提高同步整流Buck变换器轻载效率的数字化控制方案分析
2017-03-03徐杨
徐 杨
(同济大学电气工程系,上海 201804)
提高同步整流Buck变换器轻载效率的数字化控制方案分析
徐 杨
(同济大学电气工程系,上海 201804)
本文提出一种数字化混合控制方案,用于提高同步整流型Buck变换器的轻载效率。该方法重载时工作频率固定,轻载时能平缓地切换为恒定导通时间控制模式,以降低变换器的开关损耗。此外,不同于传统控制方法,所提方法根据驱动信号的导通时间和电感伏秒平衡关系精确预估电感电流过零点,使变换器工作于断续模式从而有效地降低轻载时的导通损耗。这确保同步整流Buck变换器在宽负载变化范围内有较高的转换效率。本文通过理论量化分析和实验对比验证了所提方法的可行性。
数字控制;Buck变换器;同步整流;轻载效率;恒定导通时间控制
随着信息化技术和半导体工艺的迅速发展,电子设备的CPU性能和集成度显著提高,相应地对电压调节模块(voltage regulator modular,VRM)的输出精度、响应速度和转换效率等方面提出了更高的要求,为满足上述需求,同步整流型Buck变换器在低压大电流的场合得到广泛的运用[1-13]。与传统电源相比,处理器通常有待机和高性能运行等模式,使得 VRM需要在更宽的负载变化范围内保证较高的转换效率[3-5]。
传统控制方式的同步整流型 Buck变换器在任意负载条件下均处于连续导通模式(continuous conduction mode,CCM),重载效率高,而轻载时由于输出电容的储能会经电感和辅助开关管反向续流,使得电路导通损耗加剧,导致效率明显下降。有许多方法用于提高同步整流型 Buck变换器的轻载效率[6-11],下述3种方案最为常见。
1)固定频率控制方式。当负载电流小于电感临界电流时,关闭续流开关管以强制电感电流工作于断续模式(discontinuous conduction mode,DCM),从而降低导通损耗以提高轻载效率。
2)恒定导通控制模式。与上述方案一样令电路工作于DCM状态,减少导通损耗。在COT控制方式下,功率变换器的开关频率会随负载电流的降低而相应地减小,因而也降低了开关损耗。文献[7]指出,相对于PWM控制而言,COT控制模式在整个负载范围内效率基本保持一致,其轻载与重载效率差异较小,但重载时损耗较大。
3)混合控制模式。重载时采用效率更高的PWM控制,轻载时切换为COT控制方式,该方法结合了两种控制模式的优点[8-11],代价则是加大了电源系统的硬件复杂程度,并使在两种模式互相切换时扰动加剧而出现控制不稳定等问题。
上述的3种控制方案,关键在于如何检测电感电流到零时刻,关闭续流开关管从而令功率变换器的工作在断续模式。较为常用的瞬时电流检测方式有外部电阻采样、MOS管导通电阻采样、电感直流电阻(direct current resistance,DCR)检测和霍尔传感器检测等[12]。然而在轻载条件下,采样电阻的损耗占总功率的比例较大;DCR阻值很小,测量误差大;MOS管的导通电阻温漂较为严重;霍尔传感器价格昂贵并在集成电路中易受噪声干扰。
针对上述问题,本文提出一种数字化混合控制方案,用于提高同步整流Buck变换器的轻载效率。该方案利用电流互感器来检测电感平均电流的近似值(互感器副边电流经精密电阻转化为对应的电压量并由电容滤波,如图1所示)来平滑地切换两种控制模式,轻载条件下根据驱动信号的恒定导通时间和电感的伏秒平衡关系较为精确地推算出电流过零点,实现CCM到DCM的转变,从而有效地提高轻载效率。与现有的控制方案相比[8-12],本文所提方式通过数字化实现控制模式的平缓切换,提高可靠性并极大程度地降低了系统的硬件复杂度。具体而言,本文主要完成了以下工作:
1)提出一种数字化控制方案,介绍两种模式如何平缓地互相切换以及电流过零点的预测方法。
2)理论分析轻载时两种控制模式下功率变换器开关管的工作损耗。
3)实验对比4种控制方案随负载电流变化时的工作效率,进一步验证所提方法的可行性。
图1 本文所提数字化控制方法的系统简化框图
1 数字控制方案的工作原理
本文所提及的数字化混合控制方式,是根据负载电流大小平缓地切换控制模式,重载时采用固定频率控制,轻载时(电感平均电流小于临界电流)切换为恒定导通时间控制,以提高效率。为防止COT控制模式发生次谐波振荡[13],常用的方法是增加功率变换器输出电容值与串联等效电阻(equivalent series resistance,ESR)的乘积ESR·Co,或加入斜率补偿(该补偿方式通常运用于电流峰值模式控制)。由于提高ESR·Co会加大系统的输出纹波,因而本文在轻载模式时提供数字斜率补偿,以避免次谐波振荡。
图 1描述了数字化混合控制方式下同步整流Buck变换器的系统简图,图2为混合控制模式重载和轻载时的电感电流和驱动波形,图3为固定频率控制模式轻载时电感电流和驱动波形。本方案利用数字化控制的优点,将实现下述功能。
图2 混合控制方式的电感电流和驱动波形
图3 PWM控制模式轻载时的电感电流和驱动波形
1)优化PWM和COT控制模式并保证两者稳定平缓地互相切换,简化功率变换器反馈环路的设计,降低系统硬件复杂度。
2)预估电感电流的过零点,选择在合适时刻关闭辅助管,从而使功率变换器从 CCM 工作模式转变为DCM工作模式。
1.1 系统设计细节
图1中同步整流Buck变换器部分,Vin和Vo分别为输入电压和输出电压,Vref为参考电压,利用运放将Vref与Vo的差值放大K倍,得到输出纹波的放大信号K(Vref−Vo);Cin和Co分别为输入和输出电容,ESR为输出电容的串联等效电阻;QH和QL分别为同步整流的主、辅开关管;L为电感,iL为电感电流,is为电流互感器副边电流,Uav为副边平均电流所对应的电压量。在数字化混合控制模式部分(虚线框)内,Ton为恒定导通时间长度;−Sc为数字斜率补偿信号的下降斜率。
图2为混合控制模式重载(PWM控制)和轻载(COT控制)的电感电流和驱动波形,主开关管导通辅助管关断时,输入端能量传递到输出端,电感电流iL上升斜率为(Vin−Vo)/L;辅助管导通续流时,iL下降斜率为Vo/L。Io1和Io2分别为重载和轻载时的负载电流, ΔI1和ΔI2分别为对应的电流纹波峰峰值,对于Buck变换器而言,电感平均电流与负载电流相等;Ts1和Ts2分别为重载和轻载时驱动信号的开关周期。
1.2 两种控制模式平缓切换
当负载电流大于式(1)[14]所示的电感临界电流时,本文所提控制系统选用固定频率的 PWM控制模式,此时Buck变换器工作于CCM模式,由电感伏秒平衡关系可推得驱动信号的占空比满足式(2)[14]:
由式(2)可知,为保证输出电压跟随参考值,在不同负载条件下,数字PI能实时调节驱动信号的导通时间(设为Ton1),从而使占空比满足上式要求。
当负载扰动或突变使得负载电流小于临界电流时,系统切换为 COT控制模式,导通时间恒定为Ton。在两种模式互相切换的过程时,势必存在时间偏差。
为了防止在模式切换过程中导通时间的差异影响控制环路的稳定性,本文设计在控制模式切换的瞬间令ΔT=0。从PWM控制切换为COT控制模式时,令此刻的导通时间,在之后的若干周期内,导通时间To′n逐渐增加或减小至设定值Ton,这个变化的过程,系统实际处于导通时间变化的变频控制模式;同理,从COT控制切换为PWM控制时,鉴于数字PI的自适应调节作用,导通时间也会从Ton平缓地恢复到合适值。
上述控制方法能保证两种控制模式平缓地相互切换。需要指出的是,在切换为COT控制模式时,DSP内部提供数字斜率补偿以避免模式切换的扰动造成次谐波振荡,在文献[13]中已分析推导出补偿信号所需的最小斜率,在本文中不再讨论。
1.3 电流过零点预测
如图3(a)所示,当传统控制方式的同步整流Buck变换器处于轻载时,电容上的储能使得电感电流过零后继续反向续流,加剧导通损耗。为了进一步提高轻载效率,控制系统选择在电感电流过零时刻,强制变换器工作在断续状态,切断反向续流路径。
DCM工作状态如图 2(b)所示,此时电感电流的峰值为
由式(4)可知,处理器仅需在恒定导通时间结束时开启定时器,直至计时时间达到 Toff1为止,此刻关闭辅助MOS管的驱动信号,便实现电感电流从CCM到DCM状态的切换。并且由于处于轻载模式,开关管的导通压降等参数可以忽略不计,因此上述方法能精确地预测电感电流的过零点。
2 轻载时两种控制方式的损耗对比
在轻载条件下,同步整流的Buck变换器的损耗主要由 MOS管的开关损耗和导通损耗组成[15-16],为了对比两种控制模式以及电感电流的工作状态对损耗的影响,以下分析中假设电路的工作温度、驱动芯片、MOSFET型号、输入输出电压、工作电流等参数一致。
1)固定频率的PWM控制模式
在 CCM 状态下,主、辅开关管的导通损耗可分别近似为式(5)和式(6)[15-16]:
轻载条件下忽略开关管导通电阻对占空比的影响,可将式(1)简化为
在 DCM状态下,主、辅开关管的导通损耗分别近似为式(7)和式(8)[15-16]:
如图3所示,不同于CCM状态,可推得DCM状态Buck变换器的占空比为
式(9)[14]表示,当电感电流断续模式时,控制信号的占空比随电感电流IL的下降而减小。并且当电感电流等于临界电流Ic时,此时可将上式简化为,即 DCM状态驱动信号的最大占空比与CCM状态相同。
结合式(5)至式(9)可知,在轻载条件下,强制功率变换器工作于断续模式,能降低主、辅开关管的导通损耗。
2)恒定导通时间控制模式
当COT控制模式的同步整流Buck变换器处于DCM状态时,上下管的导通损耗也分别满足式(7)和式(8)。由电感伏秒平衡和电容安秒平衡关系可以推算出COT控制模式的工作频率与负载电流、导通时间等参数的关系,即
当驱动芯片和MOS管型号不变时,功率变换器的开关损耗与开关频率近似成正比[6-10]。因而由式(10)[14]可知,相较于PWM控制,COT控制模式能有效减小同步整流电路的开关损耗,负载电流越低优势越明显。
3 实验结果
为验证所提数字化混合控制模式能有效提高同步整流Buck变换器的轻载效率,本文设计出相应的实验系统,并与几种现有控制方案进行对比。其中,同步整流的Buck变换器工作参数如下:
输入电压:12V。
输出电压:1.5V。
负载电流:0.2~5A。
COT模式恒定导通时间:500ns。
PWM模式固定工作频率:275kHz。
变换器由分立元件搭建,纹波放大系数K=6;电感量为 1.75μH;输出电容值为 88μF;输出电容选用低 ESR的贴片陶瓷电容,并串联一个阻值为2mΩ的精密电阻;驱动芯片为 IR2110;主、辅MOSFET型号均为IRF7832,常温时导通电阻约为4mΩ。数字控制器选用TI公司C2000系列微处理器,型号为 TMS320F28069,其内部集成的模拟比较器从响应到控制器产生恒定导通信号的延迟时间[17-18]约为60ns,恒定导通时间控制模式提供的数字补偿信号斜率为10mV/μs。
所设计的实验系统在固定频率工作时电感临界电流约为1.45A,并且为了防止轻载时COT控制模式工作频率过低而产生噪声影响,用控制算法设定工作频率的下限为30kHz。
实验设计对比4种控制方案在负载电流为0.2~5A范围内的效率变化情况,表1给出了控制方案具体细节,包括重载和轻载的控制模式以及电感电流的工作状态。其中,方案1为传统同步整流Buck变换器的控制方案,方案4为本文所提出的控制方案。
表1 4种方案控制模式和电感电流的工作状态
图4绘制出4种方案对应的效率随负载电流变化的曲线。与传统控制方式相比,所提混合控制方案有效地提高同步整流Buck变换器的轻载效率,当负载电流为0.2A时,两者的效率差异达到了40%。与方案2相比,所提方案的效率也提高了近15%。
图4 四种控制方案的效率与负载电流的关系
3.1 重载实验
负载电流为1.45~5A变化范围内,4种控制方案的差异主要体现于PWM控制模式和COT控制模式的区别上。由图5可见,PWM控制方式的导通时间和开关周期均稍大于COT控制模式,而两者的占空比近似相同。
由于开关管的导通压降会随负载电流的上升而提高,为了抵消其对输出电压的影响,PWM控制模式通过增加导通时间来提高占空比,而COT控制模式则需提高开关频率,因此图4中COT控制模式重载效率不及PWM控制[7]。
图5 负载电流为5A时,两种控制模式的工作波形
3.2 轻载实验
当负载电流在0.2~1.45A区间变化时,如图6(b)和图6(c)所示,按照本文1.3节分析的电感电流过零点的预测方法,处理器能准确实现电感电流从CCM到DCM的切换。
图6 负载电流为200mA时,两种控制模式的工作波形
结合图4,通过对比图6(a)和图6(b)可知,电感电流断续模式能避免电感反向续流,降低导通损耗从而提高轻载效率,并且降低了电流纹波和输出电压的纹波;对比图6(b)和图6(c)可知,COT控制模式在轻载时能降低系统的开关频率而进一步提高轻载效率,但加大了输出电压的纹波幅值。
4 结论
本文分析了提高同步整流 Buck变换器轻载效率的几种方案,并提出一种改进的数字化的控制方案。该方法重载时工作频率固定,轻载时能平缓地切换为恒定导通时间控制模式,以降低变换器的开关损耗。此外,所提方法根据驱动信号的导通时间和电感的伏秒平衡关系精确预测电感电流过零点,使变换器工作于断续模式,从而有效地降低轻载时的导通损耗。
与现有的控制方案相比,本文所提方式通过数字化实现控制模式的平缓切换,提高控制稳定性并极大程度地减小了系统的硬件复杂度。
在理论分析的基础上,本文通过实验对比验证了所提方法的可行性。
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The Analysis of Digital Control Approach to Improve Light-Load Efficiency for Buck Converters with Synchronous Rectification
Xu Yang
(Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804)
A digital control scheme is proposed to improve the light-load efficiency for Buck converters with synchronous rectification.The method adopts a fixed switching frequency at heavy load,and smoothly switches to constant on-time control mode at light load for the purpose of reducing the switching losses.In addition,different from traditional control methods,the proposed approach dynamically estimates the inductor current zero crossing point accurately based on on-time of the drive signal and inductor volt-second balance to force converters work in discontinuous conduction mode,which significantly reduces conduction losses at light loads.These features ensure the converters own higher efficiency over a wide load range.Theoretical analysis and experimental results are provided to verify the proposed scheme.
digital control;buck converters;synchronous rectification;light-load efficiency;constant on-time (COT) control
徐 杨(1992-),男,上海人,硕士研究生,研究方向为高密度功率变换器的拓扑和控制策略、电力电子数字化控制技术等。