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

王金平 许建平 兰燕妮 徐杨军

（西南交通大学电气工程学院 成都 610031）

1 引言

为实现高频化、高效率、高功率因数以及良好的电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）特性，开关变换器调制/控制技术的研究逐渐成为人们关注的焦点。开关变换器的调制方式主要有脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）、脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）以及PWM和PFM混合调制。传统PWM调制开关变换器的响应速度慢，轻载效率低；PFM调制开关变换器虽然提高了轻载时的效率，但其变化的工作频率，给滤波器的设计带来了困难；混合调制模式电路设计较为复杂[1-3]。因此，人们一直在探索新的控制方法。

恒定导通时间（Constant On-Time, COT）控制技术是一种在工业界中得到广泛应用的基于 PFM调制的技术[4-5]，它使开关变换器的功率开关管在一个固定的时间间隙内导通，通过控制关断时间实现控制信号占空比的调节，以维持输出电压的稳定[6-8]。COT控制开关变换器具有瞬态响应速度快，系统设计简单[9]，无需误差放大器等优点。但是COT控制开关变换器的开关频率随着输入电压的变化而变化[10]，对EMI滤波器的优化设计带来困难。为了解决这一问题，本文提出了一种基于输入电压前馈补偿的COT（Input Voltage Feed-forward Compensated COT, IVFC-COT）控制技术。

IVFC-COT控制技术在 COT控制技术的基础上，通过引入输入电压前馈环，使固定导通时间受输入电压控制，即在输入电压变动时通过调整固定导通时间，从而保持开关频率恒定。IVFC-COT控制技术不仅继承了COT控制环路设计简单，无需误差放大器，瞬态响应速度快等优点，还能使开关频率在输入电压或负载波动时保持恒定。

2 COT控制及其改进

2.1 COT控制原理

图1所示为COT控制Buck变换器电路及其主要控制信号。从图1可以看出，COT控制器由比较器，RS触发器和导通定时器（On Timer）组成。

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

COT控制Buck变换器的工作原理为：变换器输出电压Vo与基准电压Vref进行比较，当输出电压Vo低于Vref时，比较器输出高电平，RS触发器置位，其Q输出高电平，功率开关管S导通，输出电压上升；开关管导通固定导通时间 TON后，导通定时器使触发器复位，开关管S关断，输出电压下降，当输出电压下降到 Vref时，开关管再次导通，进入下一个开关周期。

COT控制的固定导通时间 TON由导通定时器决定，一旦设计确定后，固定导通时间TON将不再变化。

当 Buck变换器工作在电感电流连续导电模式（Continuous Conduction Mode, CCM）时，其输出输入电压传输比为

式中，D为控制脉冲占空比。

从而可得导通时间T 为

式中，fS为开关频率，fS=1/TS。

当导通时间固定为TON时，开关频率为

由式（3）可知，COT控制Buck变换器开关频率与输入电压成反比。因此，当输入电压发生变化时，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的变化而变化，这将给滤波器的设计带来困难。

2.2 IVFC-COT控制技术

为了解决 COT控制开关变换器的开关频率随输入电压的变动而变动的问题，提出了 IVFC-COT控制技术。

IVFC-COT控制框图如图 2a所示，它在 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动而变动，从而在保持开关频率恒定的基础上实现输出电压的调节。IVFC-COT控制与COT控制的工作过程基本一致，只有当输入电压发生变化时，两者才呈现出差异。

IVFC-COT控制器中的导通定时器框图如图2b所示，其中 gVin为受输入电压 Vin控制的受控电流源，g为受控系数；S2为受RS触发器端控制的开关，当Q为高电平时，S2闭合，否则S2断开。当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，并改变固定导通时间，从而维持开关频率恒定。而当负载发生变化时，IVFC-COT与COT控制的工作过程一样，这里不再赘述。

图2 IVFC-COT控制Buck变换器Fig.2 IVFC-COT controlled Buck converter

对于图2所示IVFC-COT控制Buck变换器，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，可表示为

当VC1上升至门限电压VTon时，RS触发器复位，Buck变换器的功率开关管关断，输出电压下降，开关 S2闭合，电容电压 VC1下降到零；当 Buck变换器输出电压下降到 Vref时，进入下一个开关周期。由上面的描述可知，电容电压 VC1由零上升至门限电压VTon所需的时间决定了固定导通时间TON，即

从式（5）可以看出，IVFC-COT控制的导通时间与输入电压成反比，输入电压越高，导通时间越短。

令式（5）等于式（2），可得

式（6）给出了IVFC-COT控制Buck变换器的开关频率与电路参数之间的关系。

对于IVFC-COT，从式（6）可以看出，由于输入电压前馈环路的作用，使得等式右侧分子分母中同时存在输入电压项，因此消除了输入电压的影响，从而使得开关频率与输入电压无关，解决了 COT控制开关频率随输入电压变化而变化的缺点。

此外，在进行IVFC-COT控制 Buck变换器设计时，一旦开关频率fS选定后，导通定时器中受控电流源的受控系数g可以由下式确定

3 仿真和实验研究

3.1 时域仿真

为了验证IVFC-COT控制技术的可行性及控制性能，采用Pspice仿真软件对IVFC-COT控制CCM Buck变换器电路进行仿真，并与具有相同主电路参数的COT控制Buck变换器进行对比。仿真参数如表所示。

表 IVFC-COT Buck变换器电路参数Tab. The parameters of the IVFC-COT Buck converter

当输入电压在1ms处由10V突变至20V时，COT和IVFC-COT控制Buck变换器输入电压瞬态响应如图3所示，其中COT控制和IVFC-COT控制在 10V输入电压条件下的固定导通时间相同（2.5μs）。当输入电压突变至20V时，COT控制的固定导通时间维持不变，仍然为2.5μs，它通过降低开关频率以减小控制信号的占空比，从而实现输出电压的调节；而IVFC-COT控制则通过输入电压前馈环的作用，在维持开关频率不变的情况下，使固定导通时间减小至1.25μs，从而减小控制信号的占空比，实现输出电压的调节。从图3可以看出，当输入电压增大时，COT控制Buck变换器的开关频率降低，导致输出电压纹波的增大；而 IVFC-COT控制 Buck变换器的开关频率保持恒定，因此具有比 COT控制更小的输出电压纹波。此外，从图 3还可以看出，COT控制和IVFC-COT控制Buck变换器的输入电压瞬态响应速度非常快，都仅需要一个开关周期的调整时间就达到新的稳态。

图3 输入电压瞬态响应仿真图Fig.3 Simulation results of input voltage transient response

图4示出了COT和IVFC-COT控制Buck变换器负载瞬态响应仿真图。从图4可以看出，当负载电流在 1.2ms处由 0.5A突变至 1A时，COT和IVFC-COT控制Buck变换器具有相同的调节过程。此外，从图中还可以看出，负载突变前后，无论COT控制还是IVFC-COT控制，变换器工作频率均保持恒定。

图4 负载瞬态响应仿真图Fig.4 Simulation results of load transient response

3.2 实验验证

采用表所示电路参数搭建实验系统，对IVFC-COT控制Buck变换器进行实验验证。

图5给出了IVFC-COT控制Buck变换器在输入电压为10V和20V时的实验结果，其中Vin、VD和ΔVo分别为输入电压、续流二极管阴极电压和输出电压纹波。对比图5a和图5b可以看出，尽管输入电压发生明显变化，但固定导通时间的改变使得系统的工作频率保持恒定，与仿真结果一致，进而验证IVFC-COT控制技术的可行性。

图5 不同输入电压时IVFC-COT控制Buck变换器实验结果Fig.5 Waveforms of the modified COT controlled converter under different input voltages

图6为输入电压瞬态响应实验结果。从图中可以看出，当输入电压突然由20V降至10V时，输出电压的变化仅表现为纹波的增加，几乎没有调节过程，从而验证IVFC-COT控制技术具有快速的输入电压瞬态响应速度。

图6 输入电压瞬态响应实验结果Fig.6 Experimental results of input voltage transient response

图7给出了负载电流Io在0.5A到1A之间发生周期性变化时的实验结果。与输入电压瞬态响应实验结果类似，负载电流发生突变时，输出电压也仅表现为纹波的增大，几乎没有调节过程，从而验证IVFC-COT控制技术具有快速的负载瞬态响应速度。

图7 负载瞬态响应实验结果Fig.7 Experimental results of load transient response

4 结论

IVFC-COT控制技术通过引入输入电压前馈，使输入电压直接控制导通定时器，使固定导通时间与输入电压相关，以此保持开关频率的恒定。IVFC-COT控制具有COT控制瞬态响应速度快，控制环路设计简单等优点，并解决了COT控制开关频率随输入电压变化而改变的缺点，从而降低了滤波器的设计难度。仿真及实验结果验证了 IVFC-COT控制技术的可行性。

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