基于脉冲序列控制技术的降压型开关电源(2)

1. 2  PT 控制的实现方式

　　本节设计一种简单实用的脉冲序列控制器， 如图2 所示。图2 中时钟信号CP（ Clock Pulse） 由峰峰值为- 10 V到+ 10 V 的锯齿波信号USAW 与电压信号UGN D （ UGND = 0） 通过比较器Ccp产生； 变换器输出电压Uo 与基准电压Uref 通过比较器C1 产生电压信号Ue;触发器D 在时钟来临时刻将电压信号Ue 传递至输出端Q, 并在下一时钟来临之前保持不变； 比较器C2 将D 触发器的输出信号和锯齿波进行比较产生控制脉冲PH 或PL 实现对变换器的控制。

　　上述PT 控制器的工作过程为： 在开关周期的起始时刻， 时钟信号CP 来临， 若此时Uo > Uref , 则Ue 为高电平； 时钟信号同时使触发器D 触发， 触发器输出信号Ud 在下一时钟脉冲来临前保持高电平不变； 锯齿波信号USAW 与Ud 经过C2 比较， 输出占空比为DL的低能量脉冲信号P L.若Uo< Uref , 则Ue 为低电平；触发器输出信号Ud 在下一时钟脉冲来临前保持低电平不变； 锯齿波信号USAW 与Ud 比较产生占空比为DH的高能量脉冲信号PH .PT 控制器主要工作波形如图2（ b） 所示。

图2  DCM DC-DC 变换器在PT控制模式下的控制电路原理图和工作波形

根据电源设计要求， 当输出电压Uo 大于基准电压Uref 时， 控制脉冲为低能量脉冲， 占空比为DL:

　　式中， USH 为锯齿波信号USAW 的最大值； USL 为锯齿波信号USAW 的最小值。

　　将设计参数代入式（ 3） 中， 得到低能量脉冲的占空比为DL= 0. 25

　　同理， 当输出电压Uo 小于基准电压Uref 时， 控制脉冲为高能量脉冲的占空比：

　　得高能量脉冲的占空比为DH = 0. 5.

　　2  仿真及实验验证

　　为了验证PT 控制方法和模拟控制器的可行性，设计了一个基于PT 控制的DCM Buck 变换器， 其主要参数为： Uin = 15 V, Uo = 5 V, L = 100uH, C=470uF, R= 10Ω , f = 10 kHz.

　　图3 显示了PT 控制的DCM Buck 变换器工作仿真波形。在图3 中可以看出， 当Uo 大于Uref 时， 控制脉冲Upt 为低能量脉冲， 占空比为DL= 0. 25; 当Uo 小于Uref 时， 控制脉冲Upt 为高能量脉冲， 占空比为DL =0. 5, 与设计参数相符合。此时的控制脉冲序列为PH -PL - PL .

图3  PT控制DCM Buck变换器工作仿真波形图

　　由图3 可知， 输出电压Uo 的纹波随着电感电流I L 的变化而变化。控制信号每输出一个高能量脉冲，输出电压纹波值增大； 输出低能量脉冲时， 输出电压纹波值减小， 但是其值始终在5 V 上下范围内波动。仿真结果与实验设计要求一致。

图4  PT 控制DCM Buck 变换器控制脉冲信号与输出电压波形和输出电压纹波波形

　　从图4（ a） 中， 可以看出当MOSFET 管导通控制信号为高能量脉冲占空比为DH 时， 输出电压Uo 有小幅上升； 而MOSFET 管导通控制信号为低能量脉冲占空比为DL 时， 输出电压Uo 有小幅下降， 与仿真波形图一致。在图4（ b） 中， 可观察输出电压Uo 的纹波图， 能够更清楚地反映开关管导通控制信号与输出电压的变化关系。从图中， 可以更加明显看到开关管导通控制信号的变化对输出电压的影响， 与仿真结果基本一致。

　　3  结论

　　本文在介绍了一种新型控制技术--脉冲序列控制技术， 并将其应用于DCM 模式的降压型Buck DC-DC 变换器， 用模拟方式实现了开关变换器对输出电压的控制。本文介绍的理论不需要误差计算等详细的小信号或大信号分析， 且适用于各种开关变换器， 仿真和实验结果验证了PT 控制方法的可行性。