Buck系列的初衷

醞釀一個關(guān)于Buck的系列。這個專題并不會夸夸其談電力電子圣殿Virginia Tech的CPES，數(shù)十年來靠研究Buck培養(yǎng)了多少博士生，而是將從個人淺薄的認(rèn)知出發(fā)，解讀Buck不為人知的那些事。

無論是否電力電子專業(yè)科班出身，大家的電源學(xué)習(xí)一定起源自Buck，就像初戀。雖然經(jīng)常有人說Buck很簡單，但筆者個人始終對它保持敬畏---搞清楚Buck，就搞清楚了功率變換的半壁江山。

PWM調(diào)制概覽

一般情況下，不同的DC-DC拓?fù)溆腥缦翽WM調(diào)制策略：

增益受占空比(或等效占空比，如隔離DC-DC的PWM移相)控制，如經(jīng)典的基本PWM變換器Buck,Boost,Buck-Boost及其衍生的各種隔離PWM拓?fù)?，往往采用固定頻率而改變占空比的控制，即PWM調(diào)制;

增益受頻率控制，如經(jīng)典的串聯(lián)/并聯(lián)/LLC諧振變換器，往往采用固定占空比而改變頻率的控制，即PFM調(diào)制;

更高級的，增益同時受占空比和頻率控制，如移相型LLC，諧振型DAB雙有源橋等，可稱為PWM/PFM混合調(diào)制。同時改變占空比和頻率的控制方式十分多樣，基于波形比較產(chǎn)生觸發(fā)信號，從而無差別對待各類拓?fù)涞臏h(huán)Bang-Bang控制，僅從調(diào)制效果上看也屬這類。

綜上，從宏觀上看，功率變換器存在三種調(diào)制策略：PWM，PFM，PWM/PFM混合調(diào)制。但要注意，這是僅從PWM波形調(diào)制的最終效果上來看進(jìn)行的分類，并不意味著某種拓?fù)渚捅厝粚?yīng)某種調(diào)制方式。

將不同調(diào)制方式和不同拓?fù)涞目刂七M(jìn)行混搭，有時可取得意想不到的優(yōu)勢。

Buck基于變占空比的PWM調(diào)制

本文僅討論Buck變換器，在穩(wěn)態(tài)下，實現(xiàn)定頻變占空比PWM調(diào)制的情況。

穩(wěn)態(tài)下的PWM，電感電流，和輸出電容(包含ESR和ESL)各部分電壓的細(xì)節(jié)波形如下。

通過觀察得到兩個結(jié)論：

PWM從低變高恰對應(yīng)電感電流iL上升時刻，從高變低恰對應(yīng)電感電流iL下降時刻，為了實現(xiàn)快速而直接的控制，PWM調(diào)制器可借助iL峰谷值和閾值進(jìn)行比較，從而決定開或者關(guān)的時刻。

當(dāng)輸出電容的ESR分量占紋波主導(dǎo)地位時，輸出電容電壓的波形和電感電流iL的波形，在峰谷值和相位上均十分接近，可用輸出電壓的波動信息(電壓紋波)代替電感電流的波動信息(電流紋波)進(jìn)行控制。

在最傳統(tǒng)的平均模式PWM控制中，無論是單環(huán)的電壓模式(Voltage Mode,VM)控制，還是雙環(huán)的平均電流模式(Average Current Mode,ACM)控制，PWM調(diào)制器利用平均電壓或者電流的信息，經(jīng)過環(huán)路補償器，均得到基于平均值的控制信號，再去和固定頻率的載波(記為ramp)比較，生成PWM波。

根據(jù)載波的形狀，分為前沿，后沿和雙沿調(diào)制。這三種調(diào)制對平均值的控制信號來說是等效的，其低頻的小信號模型也完全一致。

但是，其高頻行為是不同的，高頻小信號的差異，可能引起不同的高頻行為和高頻穩(wěn)定性問題，本文中不予深入探討。在模擬控制中，因為前沿調(diào)制的實現(xiàn)邏輯較為簡單直觀，后文將以前沿調(diào)制的載波為例進(jìn)行歸納總結(jié)。

上文也提到，由于電感電流iL的峰谷值點總是對應(yīng)了PWM波ON和OFF的時刻，PWM調(diào)制器可以借助iL峰谷值和閾值進(jìn)行比較，從而決定開或者關(guān)的時刻。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)開或者關(guān)時刻點的其中之一被約束，那么為了實現(xiàn)定頻PWM控制，另一個時刻點就要用固定頻率的CLK或者定時器來穩(wěn)定觸發(fā)。

經(jīng)典的雙環(huán)的峰值電流(Peak Current Mode,PCM)控制就是這樣實現(xiàn)的。它總是在電感電流iL的峰值達(dá)到閾值后關(guān)斷，而利用定頻CLK固定周期地開啟一個新的開關(guān)周期。

類似地，拓展這種思路，我們可以窮舉所有基于紋波峰谷值比較的，PWM調(diào)制方法：

電流峰值點控制

電流谷值點控制

電流的峰谷值點同時控制(即滯環(huán)Bang-Bang控制)

當(dāng)輸出電容的ESR主導(dǎo)紋波時，電流紋波對應(yīng)的峰谷值，可以用電壓紋波的峰谷值代替，從而把電流模式控制變?yōu)殡妷耗Ｊ娇刂?/p>

除了滯環(huán)控制無法約束為固定的開關(guān)周期，基于紋波峰值或者谷值的調(diào)制方式，只要另一側(cè)的ON/OFF采取定頻CLK或者計時器決定固定(非絕對固定，可根據(jù)外部參數(shù)自適應(yīng)變化)的ON/OFF的時間，PWM調(diào)制器就可以完成定頻變占空比的控制。

Buck轉(zhuǎn)換芯片常用的恒定導(dǎo)通時間(Constant On-time,COT)控制，和Boost轉(zhuǎn)換芯片常用的恒定關(guān)斷時間(Fixed/Consant Off-time,FOT或CFT)控制便是采取了這樣的思路。

這個“恒定”同樣并非絕對的恒定，可根據(jù)外部參數(shù)自適應(yīng)變化，從而實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)固定開關(guān)頻率運行。這類穩(wěn)態(tài)定頻，暫態(tài)變頻的PWM調(diào)制方式，也稱為“偽定頻”，嚴(yán)格意義上說仍然表現(xiàn)出被PFM混合的特性。

Buck的PWM調(diào)制與控制總結(jié)

定頻載波和定頻的電感電流均為三角波，形狀類似。如果把平均值控制中，定頻的載波也看做等同電感電流的紋波，統(tǒng)一記作Ramp，從而歸納如下針對Buck的PWM調(diào)制方式和對應(yīng)控制方法。

基于固定頻率CLK的“真”定頻

從左到右依次為：

電壓模式(Voltage Mode,VM)控制，

平均電流模式(Average Current Mode,ACM)控制

峰值電流模式(Peak Current Mode,PCM)控制

谷值電流模式(Valley Current Mode,VCM)控制

基于自適應(yīng)計時器的“偽”定頻

從左到右依次為：

恒定導(dǎo)通時間(Constant On-time,COT)電壓谷值模式控制

恒定導(dǎo)通時間(Constant On-time,COT)電流谷值模式控制

恒定關(guān)斷時間(Consant Off-time,FOT)電壓峰值模式控制

恒定關(guān)斷時間(Constant On-time,FOT)電流峰值模式控制

完全基于比較的變頻

有如下形式：

電壓模式滯環(huán)Bang-Bang控制

電流模式滯環(huán)Bang-Bang控制

總結(jié)常見PWM調(diào)制所對應(yīng)的控制方法如下