维普资讯 http://www.cqvip.com 第28卷第10期 2006年10月 电子与信息学报 ! !Electronics&Information Technology 、,0l-28NO.10 Oct.2006 Boost变换器跨周期调制(PSM)的状态空间平均模型 牛全民①② 罗萍0 李肇基0 张波① , (电子科技大学IC设计中心成都610054、 ②(空军雷达学院武汉430010) 摘要基于Boost变换器,利用状态空间平均法对跨周调制(PuIse Skipping Modulation,PsM)进行建模和特性分 析,推导出电感电流连续(CCM) ̄n电感电流断续(DCM)时系统变压比,调制度 与负载的关系及系统转换效率的 理想化公式,得到PSM具有轻载下高转换效率的结论,并设计具有PSM调制特性的控制电路,给出仿真结果。 关键词Boost变换器,跨周调N(PSM),调制度,状态空间平均方程 文献标识码:A 文章编号:1009.,5896(2006)10.1955 04 中图分类号:TN787 Space State Average Model of PSM in Boost Converter Niu Quan.min①②Luo Ping ̄①Li Zhao-ji9( Zhang Bo(9 fCDesign Center University ofElectronic Science and Technology ofChina.,Chengdu 610054.,Chind) '(RadarAcademyAir Force,,Wuhan 430010,Ch/na) Abstract Based on boost converter,a new mode named PSM is modeled and analyzed using space state average method. Some useful formulae such as output voltage ratio,relationship between modulation factor and load,.conversion eficifency are given in this paper.The conclusion can be easily got that PSM is an available control mode with high eficifency, especially for converter with light loads.The simulation results are given by designing the control circuit with PSM charac:teristic. Key words Boost converter,Pulse Skipping Modulation I ̄PSM),Modulation factor,State space averaged equation l 引言 随着计算机和通信技术的发展,对供电电源的要求越来 越高。目前智能功率集成芯片通常采用所谓的ON/OFF工作 模式,根据负载的轻重,由电流极限状态机产生的极限电流 信号和使能端信号共同决定跨周的数目,从而达到调压调流 的目的。与一般PWM调制相比,ON/OFF工作模式的瞬态 响应速度和轻载下系统转换效率均有很大提高,这是一种改 进的PWM调制模式,称为PSM调制模式。文献I1—31分别 基于反激式变换器和Buck变换器研究PSM(Pu ̄Skipping Modulation)调制的基本特性,但PSM调制应用于Boost变换 器时的调制特性和控制电路实现至今未作研究。Boost电路 为Buck电路的对偶电路,因此对于闭环电压控制,Boost 电路巾功率开关管的控制方法应与Buck电路相反,即电压 2 Boost变换器PSM调制的状态空间平均模型 图1(a)为Boost变换器拓扑图,假设控制电路的时钟周 期为 ,控制信号的固定占空比D:DM x,在固定负载情 况下,功率管每工作n个时钟周期跨过m个周期,控制波形 如图1(b)所示。 篚 一Fig,.1(a)Topology ofboost converter (b)Control waveform ofpower switch 图1(a)Boost变换器拓扑图(b)功率管控制波形 超过给定值时进行跨周将变为功率管继续导通,从能量转移 的角度出发,PSM调制在Boost电路中不再适用,但考虑到 Boost电路为升压电路,当电压超过设定值时将功率管关断 若干个周期,电容电压(负载电压)仍然回到设定值,因此在 定义调制度 M=l-f ̄/f=, n+m)。其中 =l/ 为开关器件的有效工作频率;f=l/ 为时钟频率。 根据电感电流是否连续,将一个时钟周期分为3个阶段, 导通、D截止对应为DI (DI=DM x),M截止、D导通 对应为D’ , 截止、D截止对应为D r,电感电流连续 Boost电路中仍然可以采用PSM调制。本文基于Boost变换 器,通过建立状态空间平均模型,研究PSM调制原理及PSM 调制下系统变压比,调制度与负载关系,输出电压纹波,系 统响应速度和转换效率等调制特性。 (ICCM)时DI+02=1,断续(DCM)时DI+ + =1。 (1) 导通D截止 =AIX ar m 1, ClTx } l(1) 2005,-02.25收到,2005.0-7.25改回 国家自然科学基金重点项目(60436030)资助课题 维普资讯 http://www.cqvip.com 1956 电子与信息学报 第28卷 0 I 1 I; 一一RCj 嘲 )J (2)¨一 8 l1 Y C2 一= 0 一一 其中A,= 1●●●●,●●J 1 1 C RC I];c =朗 (3) 截止D截止 Y C = 3 I} ㈣ =㈦ 厂0] C3=c2=Ci=F1Lo.1 7J1 o 根据状态空间平均法【 , ,得到CCM的状态空间平均方 程为 史=【(1一 )(DlAI+D2A2)+MA2Ix l +【(1一^ )(DlBl+D2B2)+MB2】 f} (4) 个 Y=Ci I 1 同理得到DCM状态空问平均方程为 :[(1一 )(DlAl+D2A2+D3A3)+MA3Ixl +(1一^ )(DlBl+D2B2) , } (5) :Ci j 仿真得到电感电流波形图,如图2所示。 图3(a)为不同调制模式电感电流断续情况下开环变换器 阶跃响应曲线。仿真条件:R=70g2,L=10 ,C=100’gF, Ui=4V,Uo=5V,Di=0.15。可以明显看出,相同电路参数 条件下,PSM和PWM调制相比,响应速度更快,但却具有 O / / - I r O 图2(a)CCM电感电流波形(b)DCM电感电流波形 Fig.2(a)Inductor current waveform for CCM (b)Inductor current waveform for DCM 9 (a)i… 7 一 艺5 i .. 3 ×rWM 1 PSM 0 0.05 o.1 o.15 0.2 f(S) 图3(a)PWM,PSM丌环变换器阶跃响应 (b)不同负载PSM开环变换器阶跃响应 Fig.3(a)Step responses ofopen loop PWM and PSM converters (b)Step responses of open loop PSM converters with different loads 更高的超调和振荡次数;图3(b)为电感电流断续情况下PSM 调制在不同负载时开环变换器阶跃响应曲线。仿真条件: L=10gH,C=50 ,f=100kHz,U,=3V,Uo=5V,Dl= 0_35,图巾显示,负载越轻,响应速度越快,超调和振荡幅 度越大。 3 PSM调制特性 3.1系统变压比 稳态时电感电压的平均值为零,得到CCM和DCM的 变压比: Uo/U,=1/[1一(1一 )D], for CCM (6) /uf=(D+D2)/D2, for DCM (7) 从式(6),式(7)得到,在电感电流连续时,变压比与调制 度成反比,与占空比成正比,电感电流断续时变压比与调制 度无关。 3.2调制度 与负载关系 稳态时两种工作模式下的临界状态电感平均电流: (I-坳 for CCM (8) ,£=(1-M) —UiD I(D I+D2) 一for DCM (9) 在忽略变换器开关损耗的情况下,如果变换器变压比为 常数A,根据能量守恒得到:Io/I£=Ui/Uo=1/A。其中, 为负载平均电流,A为变压比,输入输出电压一定的情况下 A为常数。 由Io=Uo/R,得到两种工作模式的调制度与R的关系 式: :1一 ofr CCM (101 ("+m)n(1一A+AD) :1一 ofr DCM (111 RDl(Dl+D2) 在变压比为常数时,负载大小与调制度成反比,负载轻, 调制度大,说明跨周的次数多,由于在这些周期功率管处于 截止状态,大大降低了开关损耗,系统转换效率在轻载下并 未降低。 3-3纹波特性 对于PSM调制模式,输出电压纹波对应跨周期时输出 电压的下降,由能量守恒定理得到: 维普资讯 http://www.cqvip.com 第10期 牛全民等:Boost变换器跨周期调 ̄j]1(PSM)的状态空问平均模型 1957 AU:=————————————.————————————.—————————————————————————————.. ...———— c Uo{(m+DO(Uo-Ui)T-[n Ui-nUo(1-DO]T}RC(Uo 一一4 )(12) for DCM (13) 一f0r CCM 3 86 , 《 A“ :—(DI+D3+m)UoT —。 RC 0 1 0.1 1014 10.18 10.1 10.14 1018 式中”,m为正常工作周期数和跨周期数。 3.4系统转换效率 t(ms) (a)L=10,UH,C=100,UF,R=5On DMAX=0 85,U 1 5V,Uo 5V t【ms) (a)L 10t*H,c=100 ̄F,R=100n DMAX=0.6, 1.5V,Uo=5V 假设功率管在硬开关条件下工作,在每一周期的开通和 关断瞬间,由于漏极电流i。和漏源电压“。 有交叠部分,功 率管将产生一定的开关能耗,假定每一次开与关的能耗相等 为wL0ss,在周期 内CCM模式下系统的转换效率 一 ” SS/【(,?+m)TJ +” 。 s/[(”+m)T] VVLOS= 一 0ss+ r/网[SRo一 )J , rccM(、 4) J4 :LOSS0ss+l Ui D!(DI羽+ )D2/2l( )Lf M PWM调制系统转换效率为【6l T T2}R wM —Kf + U :/R(16 )o为比例系数,近似认为与负载电流无关,比较式(15),式 (16),当电感电流工作在断续模式,PWM调制在轻负载时, 系统输出功率减小,而在开关频率一定的情况下,功率管的 开关次数并未减少,变化的仅仅是占空比,系统转换效率随 负载变轻而降低。从式(15)明显看出,PSM调制系统转换效 率与负载大小无关,近似为常数,因此,对于中小功率系统, 电感电流断续下的PSM调制是最佳的调制模式。 4 仿真分析 根据PSM调制原理与调制特性,基于Boost变换器设计 出具有跨周功能的控制电路如图4。控制电路为电压负反馈 环路。将输出电压与电压参考值比较,Uo>Uref,将振荡器输 出信号屏蔽,MOS管栅极为低电平;uo< 。6 MOS管栅极为 振荡器输出信号。图5为混合模式(正常工作期间电感电流 连续,跨周期间电感电流为零)的栅极电压和电感电流波形, 图6为DCM模式的栅极电压和电感电流波形。 L D 图4 PSM工作模式的Boost变换器 Fig 4 Boost conve ̄er with PSM operation mode l0I l0.14 l0.18 10.1 10.14 10.18 t(ms) t(ms) (b)L=10t*H,( 乙100 F,R=1OOn (b)L=10t*H,C 100 ̄F,R=200 ̄, DMAX=0.85, 1.5 V'Uo 5V DMAX=0 6,U 1 5V,Uo=5V 图5混合模式的栅极 图6 DCM模式的栅极 电压雨l电感电流 电压和电感电流 Fig.5 Gate voltage and inductor Fig.6 Gate voltage and inductor current waveforms for HCM current waveforms for DCM (Hybrid Current Modle) 比较图5与图6可以明显看出,无论混合模式还是DCM 模式,负载变轻时,相同时间内开关管的关断时间增加,有 更多的周期被跨过,这是由于在输出电压和占空比不变的情 况下,负载变轻意味着负载电流减小,要求平均电感电流减 小,因此一些周期将被跨过,调制度增加。表1给出在 10p.H,C--=l00gF,DMAX=0.4, =2.5V,Uo=5V的DCM 工作模式下,调制度随负载变化的情况。 表1 DCM模式调制度 与负载凡的关系 R(Q) Lo0 150 2o0 250 300 350 400 450 500 rdm 2,3 1,3 1,4 1/5 1/7 1/8 l/9 1/11 1/12 M实 0.6 0.75 O_8 O-83 0.875 0_89 0 9 0.92 O 92 测值 M理 O 7l O O_85 OI88 0.9 0.91 O.92 0.94 0.94 论值 功率 。远远大于功率管的开关损耗 SSI可以得到 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 f(MHz) f(MHz) (a)R l00n (b)R=500n 图7功率管 在不同负载下的功率谱图 Fig,7 Spectra ofpower switch with different loads 维普资讯 http://www.cqvip.com l958 电子与信息学报 第28卷 5 结束语 由Boost变换器PSM调制的理论分析和仿真结果可知, 与一般PWM调制相比,PSM调制具有很多优点:如响应速 度快、产生的电磁干扰小、控制方法简单、易于实现。尤其 是在轻载下具有高转换效率;但也存在动态超调大、开关瞬 间功率管应力高、输出纹波大等缺点。鉴于上述特点,对中 小功率电源系统,在功率系统集成未来发展方向的片上功率 系统(Power System on Chip)上可以采用该调制模式。 参考文献 [1l Luo Ping,Luo Luyang,Li Zhaoji,Chen GuangjU.Skip cycle modulation in switching DC-DC conve ̄er.IEEE 2002 International Conference on Communications,Circuits and Systems,Chengdu,China,29 June一1 July,2002:1716—1719. [2】 罗萍,熊富贵,李肇基,陈光福.开关变换器的跨周期调制模 式.电子与信息学报,2004,26(6):984—988. [31 Luo Ping,Li Zhaoji,Xiong Fugui,Chen Guangjn.Fuzzy pulse skip modul ̄ion mode In DC/DC conve ̄er.2004 IEEE International Power Electronics Congress,CIEP’04,Celaya, Mexico,1 7-22,October,2004:87—9 1. Middlebrook R D,Cuk S.A general uniifed approach to modeling switching conve ̄er power stages,in Proc.IEEE Power Electronics Specialists Conf,1 976:1 8—34. [5】 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京:电子工业出 版社.2001:303—314. [6】 罗萍.智能功率集成电路的跨周调制PSM及其测试技术研究. [博士论文】,电子科技大学,2004.3. 牛全民: 男,1972年生,博士生,研究方向为电力电子技术及智 能功率集成电路. 罗萍: 女,1968年生,副教授,研究方向为智能功率集成电路 与系统的设计与测试、电力电子技术及其自动化. 李肇基: 男,1940年生,教授,博士生导师,研究方向为半导体 功率器件、智能功率集成电路与功率电子学. 张波: 男,1964年生,教授,博士生导师,研究方向为半导体 功率器件、智能功率集成电路与功率电子学.