基于脉冲序列控制技术的降压型开关电源

引言

　　近年来， 随着电子技术和信息技术迅速发展，开关电源成为了电子工程领域应用和研究的热点。与线性电源相比， 开关电源在效率、功率密度、成本等方面显示出了明显的优势， 目前已经成为主要的DC-DC变换设备。对开关电源控制技术的研究也已成为电力电子技术领域中最为活跃的部分。

　　脉冲序列控制（ Pulse T rain M， PT ） 是一种新型定频、非线性的电源控制技术。该技术利用脉冲控制器，根据开关电源的工作状态， 按照一定规律通过高能量脉冲和低能量脉冲组成的脉冲序列对主电路进行控制。与传统的PWM 控制不同， PT 控制系统没有延迟环节， 对变换器输入端或输出端出现的扰动具有较快的响应速度。

　　1  PT 工作原理及调制特性

　　1. 1  PT 控制的工作原理

　　PT 控制技术通过在两级固定占空比的高、低能量脉冲中进行选择， 控制开关管的导通和关断， 从而实现对变换器输出电压的调节。如果输出电压Uo 低于基准电压Uref , 控制器将连续产生高能量脉冲PH 直到输出电压达到基准电压值， 高能量脉冲的占空比为DH ; 如果输出电压Uo 高于基准电压Uref , 控制器将连续产生低能量脉冲PL 以降低输出电压， 低能量脉冲的占空比为DL （ DL< DH ） .由于高能量脉冲导通时间比低能量脉冲导通时间长， 因此高能量脉冲作用的周期内将有更多的能量传递至负载端。图1（ a） 和图1（ b） 分别显示了PT 控制Buck 变换器结构图和PT 控制原理示意图。

　　本文以PT 控制技术应用于断续导电模式（ Discont inuous ConducTIon Mode, DCM） 的Buck 变换器为例进行研究。采用断续导电模式的优势在于能够实现开关管的零电流导通和二极管的零电流关断。从而减少了开关损耗和电磁噪声。高能量脉冲和低能量脉冲的占空比之间的比值k （ k= DH / DL ） 由变换器输出电压纹波和功率调节范围折衷确定。

　　图1（ b） 显示了PT 控制开关变换器的输出电压和电感电流波形。由于在MOSFET 开关管导通期间电感电流线性增长， Buck 变换器在高能量脉冲周期内开关管电流的平均值为：

 

　　则PH 控制的一个开关周期内从变换器输入端获得的能量为：

 

　　式中， T 为变换器的开关周期。

　　同理， 在一个低能量脉冲周期内从变换器输入端获得的能量为：

 

　　由式（ 1） 和（ 2） 可知： 低能量脉冲周期内变换器传递的能量为高能量脉冲周期的1/ k2 .由于高、低能量脉冲周期相同， 故变换器的开关频率是固定不变的。

 

图1  PT 控制电路及原理示意图