Buck系列的初衷
酝酿一个关于Buck的系列。这个专题并不会夸夸其谈电力电子圣殿Virginia Tech的CPES,数十年来靠研究Buck培养了多少博士生,而是将从个人浅薄的认知出发,解读Buck不为人知的那些事。
无论是否电力电子专业科班出身,大家的电源学习一定起源自Buck,就像初恋。虽然经常有人说Buck很简单,但笔者个人始终对它保持敬畏---搞清楚Buck,就搞清楚了功率变换的半壁江山。
PWM调制概览
一般情况下,不同的DC-DC拓扑有如下PWM调制策略:
增益受占空比(或等效占空比,如隔离DC-DC的PWM移相)控制,如经典的基本PWM变换器Buck,Boost,Buck-Boost及其衍生的各种隔离PWM拓扑,往往采用固定频率而改变占空比的控制,即PWM调制;
增益受频率控制,如经典的串联/并联/LLC谐振变换器,往往采用固定占空比而改变频率的控制,即PFM调制;
更高级的,增益同时受占空比和频率控制,如移相型LLC,谐振型DAB双有源桥等,可称为PWM/PFM混合调制。同时改变占空比和频率的控制方式十分多样,基于波形比较产生触发信号,从而无差别对待各类拓扑的滞环Bang-Bang控制,仅从调制效果上看也属这类。
综上,从宏观上看,功率变换器存在三种调制策略:PWM,PFM,PWM/PFM混合调制。但要注意,这是仅从PWM波形调制的最终效果上来看进行的分类,并不意味着某种拓扑就必然对应某种调制方式。
将不同调制方式和不同拓扑的控制进行混搭,有时可取得意想不到的优势。
Buck基于变占空比的PWM调制
本文仅讨论Buck变换器,在稳态下,实现定频变占空比PWM调制的情况。
稳态下的PWM,电感电流,和输出电容(包含ESR和ESL)各部分电压的细节波形如下。
通过观察得到两个结论:
PWM从低变高恰对应电感电流iL上升时刻,从高变低恰对应电感电流iL下降时刻,为了实现快速而直接的控制,PWM调制器可借助iL峰谷值和阈值进行比较,从而决定开或者关的时刻。
当输出电容的ESR分量占纹波主导地位时,输出电容电压的波形和电感电流iL的波形,在峰谷值和相位上均十分接近,可用输出电压的波动信息(电压纹波)代替电感电流的波动信息(电流纹波)进行控制。
在最传统的平均模式PWM控制中,无论是单环的电压模式(Voltage Mode,VM)控制,还是双环的平均电流模式(Average Current Mode,ACM)控制,PWM调制器利用平均电压或者电流的信息,经过环路补偿器,均得到基于平均值的控制信号,再去和固定频率的载波(记为ramp)比较,生成PWM波。
根据载波的形状,分为前沿,后沿和双沿调制。这三种调制对平均值的控制信号来说是等效的,其低频的小信号模型也完全一致。
但是,其高频行为是不同的,高频小信号的差异,可能引起不同的高频行为和高频稳定性问题,本文中不予深入探讨。在interwetten与威廉的赔率体系 控制中,因为前沿调制的实现逻辑较为简单直观,后文将以前沿调制的载波为例进行归纳总结。
上文也提到,由于电感电流iL的峰谷值点总是对应了PWM波ON和OFF的时刻,PWM调制器可以借助iL峰谷值和阈值进行比较,从而决定开或者关的时刻。在一个开关周期内,当开或者关时刻点的其中之一被约束,那么为了实现定频PWM控制,另一个时刻点就要用固定频率的CLK或者定时器来稳定触发。
经典的双环的峰值电流(Peak Current Mode,PCM)控制就是这样实现的。它总是在电感电流iL的峰值达到阈值后关断,而利用定频CLK固定周期地开启一个新的开关周期。
类似地,拓展这种思路,我们可以穷举所有基于纹波峰谷值比较的,PWM调制方法:
电流峰值点控制
电流谷值点控制
电流的峰谷值点同时控制(即滞环Bang-Bang控制)
当输出电容的ESR主导纹波时,电流纹波对应的峰谷值,可以用电压纹波的峰谷值代替,从而把电流模式控制变为电压模式控制
除了滞环控制无法约束为固定的开关周期,基于纹波峰值或者谷值的调制方式,只要另一侧的ON/OFF采取定频CLK或者计时器决定固定(非绝对固定,可根据外部参数自适应变化)的ON/OFF的时间,PWM调制器就可以完成定频变占空比的控制。
Buck转换芯片常用的恒定导通时间(Constant On-time,COT)控制,和Boost转换芯片常用的恒定关断时间(Fixed/Consant Off-time,FOT或CFT)控制便是采取了这样的思路。
这个“恒定”同样并非绝对的恒定,可根据外部参数自适应变化,从而实现稳态固定开关频率运行。这类稳态定频,暂态变频的PWM调制方式,也称为“伪定频”,严格意义上说仍然表现出被PFM混合的特性。
Buck的PWM调制与控制总结
定频载波和定频的电感电流均为三角波,形状类似。如果把平均值控制中,定频的载波也看做等同电感电流的纹波,统一记作Ramp,从而归纳如下针对Buck的PWM调制方式和对应控制方法。
基于固定频率CLK的“真”定频
从左到右依次为:
电压模式(Voltage Mode,VM)控制,
平均电流模式(Average Current Mode,ACM)控制
峰值电流模式(Peak Current Mode,PCM)控制
谷值电流模式(Valley Current Mode,VCM)控制
基于自适应计时器的“伪”定频
从左到右依次为:
恒定导通时间(Constant On-time,COT)电压谷值模式控制
恒定导通时间(Constant On-time,COT)电流谷值模式控制
恒定关断时间(Consant Off-time,FOT)电压峰值模式控制
恒定关断时间(Constant On-time,FOT)电流峰值模式控制
完全基于比较的变频
有如下形式:
电压模式滞环Bang-Bang控制
电流模式滞环Bang-Bang控制
总结常见PWM调制所对应的控制方法如下
电压模式,单环 |
电流模式,双环 |
电压滞环控制,变频 |
电流滞环控制,变频 |
平均电压模式控制,真定频 |
平均电流模式控制,真定频 |
基于纹波的COT控制,伪定频 (ESR主导纹波) |
峰值电流模式控制,真定频 谷值电流模式控制,真定频 |
COT电流谷值控制,伪定频 FOT电流峰值控制,伪定频 |
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