電壓型滯環控制的同步Buck變換器

0??? 引言

??? 降低運行電壓，獲得高性能和高功率密度的下一代微處理器，對電源設計提出了更高的要求。在提高微處理器的速度和積成密度的同時降低功率損耗，所需的運行電壓降到1V以下，從而引起電源電流增大。當微處理器發生狀態轉換時，電壓調節模塊（VRM）的輸出變化率將大于50A/us。這將引起處理器電源電壓的尖峰。這些瞬時尖峰的最大值必須限制在一定范圍內，例如2％～3％甚至更低。由于處理器的電壓變低，對負載瞬態所允許電壓偏移量的要求將更為嚴格。通過使用板上VRM接近處理器的分布式功率系統（DPS），能夠用來滿足所有系統的要求。現在大多使用的非絕緣低電壓調節器模塊（LVRM）是Buck的衍生，例如傳統Buck，同步Buck.和準方波Buck。絕緣的LVRM有對稱和不對稱的半橋，有源鉗位正激，反激和推挽。本文介紹了同步Buck變換器。傳統的同步變換器的控制技術包括PWM電壓型控制，PWM電流型控制和變頻電流型控制。重點介紹了電壓型同步變換器的滯環控制技術，它與上述其他的控制技術相比有很多優點，例如：電路簡單，不需要反饋環路的補償，負載瞬態有近乎同步的響應，沒有限制開關導通時間等。

1??? 滯環控制

??? 滯環控制，也叫做bang-bang控制或紋波調節器控制，即將輸出電壓維持在內部參考電壓為中心的滯環寬度內。圖1是滯環控制的基本原理圖。原理波形如圖2所示，在t0時刻輸出電壓vo下降到VL，此時滯環比較器的同相端輸出電壓低于反相端的參考值，比較器輸出的為高電平，開關管導通，電感充電，電感電流上升，輸出電壓上升。在t1時刻，滯環比較器的同相端輸出電壓已經增加到等于反相端的參考值，但是根據滯環比較器的特點，此時比較器還將繼續保持原來的狀態。這種狀態一直將維持到vo上升到VH時，即t2時刻，此時比較器翻轉，輸出電壓為低電平，開關管關斷，電感通過D續流，電感電流下降，輸出電壓下降，這種狀態將一直維持到t3時刻，即下一個周期的到來。

圖1??? 滯環控制的原理圖

圖2??? 滯環控制的輸出電壓、開關管兩端電壓及電感電流的波形圖

2??? 同步Buck變換器

2.1??? 同步Buck變換器的組成

??? 同步Buck變換器是傳統Buck的一種變形。主要的開關器件采用一個功率MOSFET，驅動采用和傳統Buck變換器一樣的方式。傳統Buck變換器的整流，通常采用的是肖特基二極管，而同步Buck變換器則采用一個功率MOSFET來替代，驅動采用與主開關管互補的方式，即一個MOSFET導通，另一個則關斷。電路圖如圖3所示。

圖3??? 同步Buck的原理圖

2.2??? 同步Buck變換器與傳統Buck變換器的比較

??? 由于MOSFET的導通電阻小于二極管的導通電阻，因此可以提高變換器的效率。在設計同步Buck變換器時，最為注意的是兩個MOSFET要交錯的導通，而避免同時導通。死區設計是有必要的。采用PSPICE仿真所得的結果如圖4和圖5所示。

圖4??? 傳統Buck變換器的輸出功率

圖5??? 同步Buck變換器輸出功率

??? 圖4和圖5是在相同的參數下仿真所得的傳統Buck變換器和同步Buck變換器的輸出功率，可以很明顯地看出同步Buck變換器比傳統的Buck變換器在效率上得到了很大的提高，與理論分析是完全吻合的。

3??? 同步Buck變換器的滯環電壓控制

3.1??? 原理分析

??? 滯環控制的同步Buck的原理圖如圖6所示。圖7是在一個理想情況下，參考電壓為2V，滯環寬度為50mV的理想輸出電壓的波形圖。如果輸出電壓等于或者低于參考值減去滯環寬度的一半(VL=1.975V)時，控制器就斷開低端的MOSFET開通高端的MOSFET。這是功率級的開狀態，因為它會引起輸出電壓的上升。如果輸出電壓達到或者超過參考值加上滯環寬度的一半(VH=2.025V)時，控制器就斷開高端的MOSFET并開通低端的MOSFET。這是功率級的關狀態，因為它會引起輸出電壓的下降。滯環控制的方法能保持輸出電壓在參考電壓周圍滯環寬度的范圍內。當輸出負載電流增大或輸入電壓瞬態變化而使得輸出電壓偏離到滯環寬度以外，控制器將連續不斷地開通或關斷功率MOSFET，使輸出電壓返回到滯環的范圍內，在輸出濾波允許的條件下將以最快的速度對輸出電壓進行矯正。

圖6??? 滯環控制的同步Buck的原理圖

圖7??? 滯環控制的同步Buck理想輸出波形

??? 滯環控制與其它控制相比最大的優點在于它的響應速度，這點將在后面的仿真中得到驗證。這是因為，不像其它的控制那樣，滯環控制不需要慢的反饋環。在開關周期內，當瞬態發生時即響應瞬態負載電流。它的瞬態響應時間僅與滯環比較器和驅動電路的延遲有關。比較器輸入端的高頻濾波電容也增加了一些額外的延遲。這些延遲大都與選取技術水平有關，因此，滯環控制在理論上是最快的控制方式。

3.2??? 開關頻率的估算

??? 在輸出濾波因數決定后，應該估計電源的開關頻率。如果估計的開關頻率太高，功率MOSFET的開關損耗就高，導致效率低于最佳的效率。如果估計的開關頻率太低，電感值會增大，從而引起不理想的瞬態響應。

??? 為了正確地估算出滯環調節器的開關頻率，圖8中的輸出電壓是所需穩定狀態的值。圖7中輸出電壓的紋波也被研究。電容包括引起紋波的三個參數是：ESR，ESL和電容值。

??? Vp-p(t)=Vc(t)＋VESR(t)＋VESL(t)（1）

??? 參考[4]，功率級變換器的開關頻率的代數式為

??? fs=（2）

式中：Vin為輸入電壓；

????? Vo為輸出電壓。

圖8??? 所需穩定狀態的輸出電壓

3.3??? 仿真與實際應用

??? 圖9和圖10分別是采用PSPICE仿真所得到的滯環電壓控制和傳統電壓型控制在負載發生變化時輸出電壓的波形圖。可以明顯地看出滯環控制的輸出電壓重新進入穩定狀態的時間為0.1ms，對于負載瞬態有近乎同步的響應。而傳統電壓型控制則需要4ms的時間。

圖9??? 滯環控制輸出電壓的波形

圖10??? 傳統電壓型控制輸出電壓波形

??? 在實際的應用中，采用TI公司的TPS5210芯片設計完成了輸入電壓為12V，輸出電壓為2V，輸出電流峰值為20A的電壓型滯環控制的同步Buck變換器，其工作效率可以達到88％，從而驗證了該理論的適用性。

4??? 結語

??? 電壓型滯環控制比其他的控制方法有很多的優點，例如：電路簡單，不需要反饋環路的補償，對于負載瞬態有近乎同步的響應，對開關導通時間沒有限制等。本文對電壓型滯環控制和同步Buck變換器的基本原理進行了闡述，并詳細分析了兩項技術結合的電壓型滯環控制的同步Buck變換器技術，并將電壓型滯環控制與傳統電壓型控制對瞬態負載變化的輸出電壓進行了仿真比較和實際應用驗證。文章最后簡單地給出了對滯環控制的開關頻率進行估算的方法。