0 引言

    電源是保證電子設(shè)備正常工作的動力源，隨著電子技術(shù)的進步，電子設(shè)備向小型化、高效率、多功能等目標(biāo)發(fā)展。便攜式電子設(shè)備，如手機、數(shù)碼相機等應(yīng)用正體現(xiàn)了電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢：其結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，內(nèi)部常集成有多種不同的芯片或接口，各子模塊往往需要不同的工作電壓，使得其電源管理系統(tǒng)(PUM)需要提供多路輸出電壓。在傳統(tǒng)的多路非隔離輸出PUM中，需要N路輸出就需要N個獨立的DC/DC變換器、N個電感及電容，使得PUM在PCB中占有較大體積。單電感多路輸出變換器是利用一個電感獲得多個獨立輸出電壓的新型變換器，能夠使得PUM得到優(yōu)化，從而帶來較高的經(jīng)濟效益。但單電感多路輸出技術(shù)目前還沒有得到廣泛的運用，因為工作于電感電流連續(xù)模式(CCM)時其各輸出支路間存在嚴(yán)重的交叉調(diào)節(jié)，某一輸出支路的負載變化不僅對該支路產(chǎn)生影響，還會導(dǎo)致其他支路輸出電壓波動，這種交叉調(diào)節(jié)使得單電感多輸出變換器的穩(wěn)定性不高，難以滿足PUM的相關(guān)要求。利用輸出電壓差/共模值為反饋量的峰值電流型(PCM)控制^[1]能滿足輸出電壓穩(wěn)定，但動態(tài)響應(yīng)不高，且峰值電流控制在輸入占空比大于0.5時需要增加斜率補償部分來保證變換器的穩(wěn)定工作。補償斜波的引入雖能避免次諧波振蕩，但降低了單電感多路輸出變換器的動態(tài)性能。而且，單電感多輸出變換器中電感電流波形可能存在多個充電斜率，導(dǎo)致補償斜波設(shè)計十分復(fù)雜。對此本文以單電感雙輸出SIDO-Buck變換器為例，首先引入輸出電壓差/共模值為電壓反饋量，分析了電路模型并建立了差/共模環(huán)路的傳遞函數(shù)；在此基礎(chǔ)上，研究了一種無電流環(huán)的單周期控制策略，建立了單周期控制SIDO-Buck變換器小信號模型，進行了仿真和實驗研究，并得出相關(guān)結(jié)論。

1 單周期控制SIDO-Buck變換器

1.1 SIDO-Buck變換器

    圖1所示為工作于CCM狀態(tài)的SIDO-Buck變換器，在Buck變換器的輸出電感側(cè)增加功率管So，從而獲得另一個獨立輸出支路；通過控制開關(guān)管占空比d_i與d_o，調(diào)整輸出電壓v_o1與v_o2。輸入管S_i占空比d_i的大小決定著變換器的輸入總能量，而輸出開關(guān)管S_o則決定每個周期內(nèi)電感能量的分配，S_o導(dǎo)通則給C₁及R₁支路充電。

    忽略電感電流紋波，變換器的穩(wěn)態(tài)方程：

    式(2)表明SIDO-Buck工作于CCM模式的交叉調(diào)節(jié)耦合特性：(1)改變某一支路輸出負載大小將同時影響兩路輸出電壓大??；(2)改變輸入或輸出開關(guān)管占空比將影響兩路輸出電壓大小。SIDO變換器除了輸出間存在交叉調(diào)節(jié)外，輸出電壓紋波較大也影響輸出特性。SIDO-Buck變換器各支路輸出電壓紋波主要由電容充放電和電容串聯(lián)等效電阻(ESR)組成。各支路輸出紋波大小可由式(3)表示：

1.2 SIDO-Buck變換器的差/共模環(huán)路

    增加閉環(huán)控制的開關(guān)變換器能夠使得輸出電壓具有良好的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)響應(yīng)性能。在SIDO-Buck變換器中引入輸出電壓差/共模值為電壓反饋量，忽略電路中存在的ESR及紋波；設(shè)電容：C₁=C₂=C；差/共模電壓量：v_dm=v_o1-v_o2，v_cm=(v_o1+v_o2)/2，可得SIDO-Buck變換器的狀態(tài)方程：

    共模環(huán)路通過調(diào)整輸入開關(guān)管S_i占空比d_i來控制輸出電壓的共模量，差模環(huán)路則通過調(diào)整輸出開關(guān)管S_o占空比d_o來控制輸出電壓的差模量^[2]。在分析共模環(huán)路時，忽略差模環(huán)路影響，則輸入占空比d_i對輸出共模電壓影響用傳遞函數(shù)F_cmv(s)表示：

    當(dāng)共模環(huán)路穩(wěn)定工作時，輸出電壓的共模量恒定，則電感電流i_L大小也保持恒定。假設(shè)輸出占空比d_o的變化不改變電感電流變量，僅與各支路輸出電壓v_o1和v_o2有關(guān)。因此，得到簡化后的輸出占空比d_o至輸出的差模環(huán)路傳遞函數(shù)F_dmv(s)：

1.3 單周期控制SIDO-Buck變換器

    因單周期控制輸出響應(yīng)速度較慢，為提高共模環(huán)路的輸出穩(wěn)、動態(tài)特性，引入輸出電壓反饋并增加PI補償電路^[3-4]。圖2所示為增加PI補償?shù)膯沃芷诳刂芐IDO-Buck變換器，在共模環(huán)路中，輸出電壓經(jīng)過反饋后得共模分量V_CM，共模電壓與共模給定值V_CM-ref進行比較后得誤差電壓v_e，通過PI補償?shù)醚a償電壓v_c；在單周期控制(OCC)中，當(dāng)觸發(fā)時鐘來臨時，RS鎖存器導(dǎo)通，d_i輸出為高電平，輸入開關(guān)管S_i導(dǎo)通，電感側(cè)電壓V_A=V_g，將V_A進行反饋后再進行積分(INT)，當(dāng)積分的輸出值v_i達到補償值v_c時，通過比較器產(chǎn)生復(fù)位信號，RS鎖存器輸出為低電平，S_i關(guān)斷，V_A=0，積分復(fù)位為零^[5]。

    與電流控制不同，這里不論輸入與輸出開關(guān)管的占空比存在何種關(guān)系，只要輸入開關(guān)管S_i導(dǎo)通，則V_A=V_g，積分器的輸出總是線性增加。與電流控制相比，無需復(fù)雜的補償設(shè)計，具體實現(xiàn)起來比簡單。因單周期控制本身的響應(yīng)速度較慢，對于共模環(huán)路的補償設(shè)計應(yīng)增大比例系數(shù)，減小積分系數(shù)，以提高響應(yīng)速度。圖3所示即為共模環(huán)路的閉環(huán)控制模型，其中G_c為PI補償?shù)念l域函數(shù)；H為反饋函數(shù)；H_o為單周期控制傳遞函數(shù)。

    差模環(huán)路是基于共模環(huán)路穩(wěn)定時電感電流恒定原則進行設(shè)計的，故共模環(huán)路的穩(wěn)定性決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；對于差模環(huán)路，這里采用電壓型PWM控制，對取樣的輸出電壓差模值與給定值相減后進行PI補償，并采取PWM后緣調(diào)制。將上述兩個閉環(huán)子系統(tǒng)進行組合，便可得到單周期控制整個SIDO-Buck系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，但前文的分析忽略了一個環(huán)路對另一個環(huán)路影響。在考慮整個系統(tǒng)時，還須增加差、共模環(huán)路間的交叉耦合部分^[6]；圖4為單周期控制SIDO- Buck變換器系統(tǒng)模型，H₁、H₂為反饋函數(shù)；G_c為PI補償函數(shù)；G_e為差模環(huán)路控制模型；G₁₂、G₂₁為差、共模環(huán)路之間的交叉?zhèn)鬟f函數(shù)。

    各環(huán)路間的交叉?zhèn)鬟f函數(shù)推導(dǎo)得：

其中，a=2D_o-1，C_e=2C/(a²+1)。

2 仿真及實驗

2.1 頻域仿真

    按表1參數(shù)，對采用單周期控制SIDO-Buck變換器控制系統(tǒng)進行頻域仿真分析。

    圖5所示為單周期控制共模環(huán)路中閉環(huán)傳遞函數(shù)波特圖，其增益裕量及相位裕量較大，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，更關(guān)鍵的是能保證電感電流的穩(wěn)定。

2.2 實驗研究

    為進一步研究單周期控制SIDO-Buck的實際輸出特性，進行了實驗測試。對于實驗電路，開關(guān)管選用IRF540N，二極管選用1N5822；由于開關(guān)管的源極電位不固定，增加了隔離驅(qū)動電路；控制電路基于TMS320F2812設(shè)計完成，設(shè)定開關(guān)周期為36 μs；波形記錄采用數(shù)字示波器JC1102CA。

    圖6所示為單周期控制SIDO-Buck變換器工作于穩(wěn)定狀態(tài)時的相關(guān)實驗波形。

    圖6(a)為輸入與輸出驅(qū)動波形，各開關(guān)管在每個周期內(nèi)同時導(dǎo)通，但不同時關(guān)斷，即d_i<d_o，且d_i=0.35，d_o=0.74。圖1(a)中的B點電壓vB波形如圖6(b)，其中1通道指針位置為0電位；當(dāng)S_o導(dǎo)通，v_B=3.3 V(v_o1)，S_i關(guān)斷v_B=5.4 V(v_o2+0.4 V，其中1N5822導(dǎo)通壓降為0.4 V)，從B點電壓波形便可知各支路輸出電壓大小。B點電壓波形主要與輸出管的開關(guān)模態(tài)相關(guān)，與輸入驅(qū)動無關(guān)。圖6(c)為各輸出支路的電壓波形(1通道衰減10倍)，為驗證電路輸出紋波是否滿足設(shè)計要求，將v_o1輸出支路滿載(R₁=2 Ω)，測得3.3 V輸出支路的電壓峰-峰值為120 mV，為輸出值的3.6%；5.0 V輸出電壓峰峰值為60 mV，為輸出值的1.2%，滿足了實驗預(yù)期要求。圖6(d)為輸出電壓與輸入驅(qū)動波形，只有在輸入、輸出管關(guān)斷時，電感L才能對v_o2支路進行充電，當(dāng)新一個周期開始時，v_o2支路充電結(jié)束。對于v_o1支路，在一個周期開始時，S_i、S_o導(dǎo)通，則v_o1支路開始充電，電壓開始線性上升，當(dāng)輸入管S_i關(guān)斷后，電感由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)，當(dāng)輸出管S_o關(guān)斷，則v_o1支路充電結(jié)束。

    SIDO-Buck變換器的輸出交叉調(diào)節(jié)在輕載時最大^[7]，故這里僅研究輸出輕載時的暫態(tài)波形。設(shè)i_o1=200 mA，i_o2從100 mA到300 mA跳變，由圖6(e)、(f)可知電流的突變造成了電壓v_o2跌落，幅度約為20 mV；除此之外，電流突變還造成了交叉調(diào)節(jié)，輸出電壓v_o1跌落約40 mV。各跌落電壓分別為輸出3.3 V的1.22%、5.0 V的0.4%，滿足了設(shè)計要求。

3 結(jié)論

    針對SIDO-Buck變換器中存在輸出交叉調(diào)節(jié)的問題，本文引入以輸出電壓的差/共模值為反饋量，采用單周期控制實現(xiàn)共模環(huán)路輸出穩(wěn)定，采用PWM電壓控制差模環(huán)路輸出。頻域仿真波特圖表明，采用單周期控制的共模環(huán)路具有較高的穩(wěn)定性，實驗波形表明采用單周期控制使輸出具有較小的交叉調(diào)節(jié)，系統(tǒng)輸出具有較好的動態(tài)特性，輸出紋波電壓不大且選用低ESR值的濾波電容能進一步減小輸出電壓紋波大小。

參考文獻

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