交错并联同步Buck转换器的电压滞环控制研究

1、电力电子技术Power ElectronicsVol.42, No.6June , 2008第 42卷第 6期 2008年 6月定稿日期 :2008-03-25作者简介 :周俊杰 (1975- , 女 , 河北衡水人 , 硕士 , 研究方向为低电压大电流 DC/DC 转换器 。1引 言随着计算机的广泛应用及微处理器技术的快速发展, 对微处理器供电电源的电压调节模块(VRM 提出了更高的要求, 如在不断输入电压的同时, 要使 输出电压不断降低;应具有快速的动态响应和瞬态 变化率; 应具有高功率和大电流密度; 稳态输出电压波动要很小等 1-2。 近几年,不仅 VRM 主拓扑的研究 成为热点, 其控

2、制电路也有了很大发展, 出现了许多 新型控制方式, 如 V 2控制、 电压自适应控制、 线性 -非线性控制、 电压滞环控制等 3-4。电压滞环控制方 式可有效降低输出电压的波动, 具有电路设计简单, 无需反馈环路的补偿,对负载瞬态突变有近乎同步 的响应及不限制开关导通时间等优点。2新型电压滞环控制原理分析滞环控制也称为纹波调节器控制,即将输出电 压 U o 维持在以参考电压 U ref 为中心的滞环宽度内。 与其他控制方式相比, 滞环控制响应速度很快。 由于 它无需复杂且跟随慢的反馈环, 在开关周期内, 当瞬态变化发生时即刻响应负载变化,因此不存在控制信号对采样信号的滞后现象,瞬态响应时间仅与

3、滞 环比较器和驱动电路的延迟有关。 实际应用中, 比较 器输入端的高频滤波电容也增加了一些额外的延 迟, 但大都与选取技术水平有关。因此, 在理论上滞 环控制是最快的控制方式。在用于多相交错电路时 必须注意: 滞环控制器输出所得的控制信号必须 经过分频, 并保持相同的控制信号导通时间(简称交 错分频 ,这样即可在相同的 U o 波动范围时实现交 错, 保持每一相的低开关频率; 瞬态变化过程中, 使多相控制操作成为可能,以实现多路开关的同时 开通与关断,打破同一时刻仅有一相开关动作的模 式, 以便实现更快的瞬态响应及瞬态时的相间同步。滞环控制由两个比较器组成,以 U o 为反馈信 号,通过滞环比

4、较器 1与滞环窗口的比较产生主控 制信号 U cm ,交错控制信号发生电路主要由 D 触发 器形成, U cm 经过分频电路生成两路交错控制信号, 如图 1所示。当 U o 向下波动较大, 超过比较器 1的 下限时,滞环比较器 2工作并产生附加控制信号U ca 。由图 1可知,附加控制信号与两路交错控制信 号通过或门的叠加共同生成两相主开关管控制信号 U c1, U c2。具体工作原理波形如图 2所示。交错并联同步 Buck 转换器的电压滞环控制研究周俊杰 , 魏艳君 , 侯士江(燕山大学, 河北 秦皇岛 066004摘要 :随着处理器技术的发展, 对电压调节模块提出了更高的要求, 其主拓扑和

5、控制方式也有了很大发展。交错技术能够以较低的开关频率实现高频输出电压波动, 具有纹波互消、 相间分流等优点; 而电压模式滞环控制具有电路简 单、 无需反馈环路补偿、 负载瞬态响应以及不限制开关导通时间等优点, 因此二者的结合使用将成为一种发展趋势。 提出了一种新型电压滞环控制方式, 并对其工作原理进行了分析, 最后通过仿真和实验验证了该方式的优越性。关键词 :转换器; 控制 /交错技术; 纹波互消 中图分类号 :TM46文献标识码 :A文章编号 :1000-100X (2008 06-0078-03Research on Voltage-mode Hysteretic Control Tech

6、niques for Multi-interleaving Buck ConverterZHOU Jun-jie , WEI Yan-jun , Hou Shi-jiang(Yanshan University , Qinhuangdao 066004, China Abstract :With the development of microprocessors , voltage regulator modules (VRMs are required to have many strict and challenging specifications.Its main topology

7、and control scheme must follow the fast-developing trend.The interleavingtechnique has several advantages such as the high frequency output voltage ripple with lower switching frequency , ripple cancellation , current division (sharing between the phases.On the other hand , the voltage-mode hysteret

8、ic control hasmany advantages over many other control techniques that include simplicity , no feedback loop compensation is needed , near instantaneous response to load transients , and no limitations on the switches on time.In view of these advantages , it is clear that combining the voltage-mode h

9、ysteretic control technique with the interleaving technique will result in a VRM which has the advantages of both techniques.A novel voltage-mode hysteretic control scheme is proposed and its workingprinciple is analyzed.Finally ,the advantages of the novel control scheme are proved by Pspice simula

10、tion and experiments. Keywords :converter ; control /interleaving technique ; ripple cancellation图 2中 U o 波形仅作为原理分析的参考。 滞环比较器 1以期望值作为参考电压 U ref ,并设定了上限U H 和下限 U L 形成的滞环窗口,当 U o 达到 U H 时, 滞 环比较器同相端电压低于反相端反馈电压,比较器 输出低电平, 主开关管关断, 电路处于整流状态, U o 下降; 当 U o 下降到 U L 时, 滞环比较器同相端电压高 于反相端反馈电压, 比较器输出高电平, 主开关管导

11、通, 输出电压上升。 当再次达到 U H , 比较器输出电平 再次发生翻转, 完成一个周期, 得到 U cm 。 U cm 经过交 错分频电路生成交错控制信号。然而,当负载突增 时, 电压的瞬时下冲低于 U L , 降到比较器 2设定的 下限阈值 U L T 时(如图 2中 t 1t 2, 比较器 2输出高 电平,经过或门可使两相主开关管控制信号 U c1和U c2均为高电平,两相同时开通, 实现快速的瞬态响 应。还可见, 当负载突降, U o 瞬时上冲高于比较器 1的上限值时, 由于主控制信号为低电平, 经过分频可 以实现两路均为低电平, 两相同时关断, 实现快速调 整, 故无需附加上限阈值

12、。3仿真对比分析随着 VRM 的发展, 对功率要求不断提高, 而电压调节器的每一相只能提供 2540W 的功率, 故多 相交错并联成为必然趋势。效率要求的提高也使同 步整流技术成为 VRM 设计的必然。在设计同步 Buck 转换器时,需注意两个 MOSFET 要交错导通, 避免同时导通, 因此其死区设计是非常必要的。传统电压型 PI 调节方式中, 由于最终的控制信号迟滞于采样信号, 所以调节速度相对较慢。 图 3示 出电压型 PI 调节控制的四相交错并联 Buck 转换器 结构图。 当负载电流瞬态变化时, 因为电路中只能有 一相导通, 且输出控制信号滞后, 造成电路响应速度变慢, U o 的过

13、冲值很高,极不适应 VRM 快速动态响 应的发展要求。图 3中 Ramp 是移相载波信号,它们 波形一致, 依次相差 1/4周期, 而正是由于载波的存 在, 使得电路中只能有一相导通 5。图 4示出转换器的仿真结果。 仿真条件:采用四相交错并联和 PI 调节器;每相 200kHz ; 输入 8V , 输 出 1.2V/100A ; 0.5ms 处负载突变为 50A , 1.0ms 处突变为 50A 。由图可见,初稳态及负载突变时 U o 达 到稳态时间较长, 过冲大, 且出现了振荡。放大波形 更清楚地表明负载突变后,输出电压波动大、不均 匀, 响应速度较慢, 超过 0.1ms 。图 5示出新型

14、转换器的原理图。 U cm 经过两级交错分频电路, 即四分频电路得到 4路交错控制信号。 当 U o 降到 U L T 时, 比较器 2输出高电平信号, 通过 或门与交错控制信号叠加形成新的各相控制信号。 比较器 2和或门这一附加结构保证了 U o 瞬态下降 较大时, 可以同时开通四相, 形成完全并联关系, 实 现瞬态快速响应, 而当 U o 回到比较器 1的控制范围 时, 再次形成交错并联电路。仿真条件:采用四相 Buck 转换器和新型电压滞环控制; 输入 8V , 输出 1.2V/100A ; 1.0ms 处负载突变为 50A , 2.0ms 处突变为 100A ;纹波范围 30mV 。

15、由图 6的仿真波形可见,该新型控制方式初稳 态快, 没有超调和振荡, 负载突变时电压上下冲有所 减小, 响应速度极快, 只需 1020s ,达到稳态后的 交错并联同步 Buck 转换器的电压滞环控制研究电力电子技术Power ElectronicsVol.42, No.6June , 2008第 42卷第 6期 2008年 6月波动小、 均匀, 且滞环的上下限, 即 U o 的波动范围可 以调节, 负载变化前后, 输出波动平稳。 由图 7a 附加比较器 2的输出波形可见, 在起始及负载突增波动较大时, 比较器 2开始工作,输出高 信号及时促使四相同时开通,保证电路快速达到所 要求的稳态值。 这

16、不仅增加了开关的导通宽度, 也改 变了开通次数。由图 7b 的四相电流波形可见, 在初 态及负载突增的过程中, 四相电流同时上升; 负载突 减时, 四相电流同时下降, 验证了负载突变过程中可 以使四相同时开通或同时关断,实现快速响应的优 点, 且负载变化前后电流波动均匀, 均流效果好。 4实 验以两相 Buck 转换器为主拓扑,对所提出的新型电压滞环控制方式的工作原理进行了验证。实验条件:输入 6V , 输出 1.2V , 每相电感 3H ,稳态输 出电流 24A ,滞环比较器 1和 2均用 LM339实现。 图 8示出稳态输出电压和滞环控制波形。由图 8a 可见稳态波动平稳。图 8b 中两路

17、信号的高脉冲几乎同时出现,原因是设定的下限阈值很 接近比较器 1的下限值,以便能够显示出比较器 2的作用。 图 8c 为滞环比较器 1的输出波形经交错分 频电路所得到的两相交错控制信号, 图 8d 为两相交 错信号与比较器 2输出的高电平经过或门所得到的 两相主控制信号, 可见比较器 2输出高电平时, 两相 主开关管同时具有高驱动脉冲, 实现同时开通。5结 论电压滞环控制与其他控制方式相比有很多优点, 如电路简单, 无需反馈环路补偿, 对负载瞬态变 化有近乎同步的响应, 不限制开关导通时间等。 提出 了附加滞环比较器 2的新型电压滞环控制方式, 更 弥补了电压滞环控制应用于多相交错并联电路,

18、负 载电流较大时所造成的初态及负载调整时单相导通 时间过长、 承受功率过高、 均流慢的缺陷, 改善了电 路的性能, 使响应时间大大缩短。参考文献1蔡拥军,谢小高, 叶 欣, 等 . 隔离型低压大电流 VRM 标 准拓扑研究 J. 电力电子技术, 2005, 39(4 :32-35. 2梁小国,危 建, 路 侃, 等 .48V 输入电压调节模块的 现状及未来 J. 电力电子技术, 2003, 7(2 :89-93. 3J Abu-Qahouq , H Mao , I Batarseh.Multiphase Voltage-ModeHysteretic Controlled DC-DC Converter with Novel CurrentSharingJ.IEEE Trans. on Power Electronics ,2004, 19(6 :1397-1407.4J Quintero ,M Sanz , A L zaro , et al.Reduction of the Switch-ing Freq