改進型單周期控制SIDO-Buck變換器研究

李良光，鄭 加，周 建，宋中明，徐良成

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

改進型單周期控制SIDO-Buck變換器研究

李良光，鄭 加，周 建，宋中明，徐良成

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

SIDO-Buck是一種利用單電感實現雙路輸出的降壓型變換器，具有功率元件少、效率高的優點，但各路輸出間存在交叉調節和較大電壓紋波的問題，使得輸出電壓不穩定；引入差/共模電壓環路后由于電感電流存在不同的模態，導致電流型控制中斜率補償存在設計難題。研究了另一種無電流環的單周期控制實現SIDO-Buck變換器輸出的穩定，建立了單周期控制SIDO-Buck變換器的閉環系統模型。通過仿真及實驗驗證了單周期控制SIDO-Buck變換器的可行性。

便攜式電子系統；SIDO-Buck；單周期控制；差/共模電壓

0 引言

電源是保證電子設備正常工作的動力源，隨著電子技術的進步，電子設備向小型化、高效率、多功能等目標發展。便攜式電子設備，如手機、數碼相機等應用正體現了電子產品的發展趨勢：其結構日益復雜，內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(PUM)需要提供多路輸出電壓。在傳統的多路非隔離輸出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得到優化，從而帶來較高的經濟效益。但單電感多路輸出技術目前還沒有得到廣泛的運用，困為工作于電感電流連續模式(CCM)時其各輸出支路間存在嚴重的交叉調節，某一輸出支路的負載變化不僅對該支路產生影響，還會導致其他支路輸出電壓波動，這種交叉調節使得單電感多輸出變換器的穩定性不高，難以滿足PUM的相關要求。利用輸出電壓差/共模值為反饋量的峰值電流型(PCM)控制[1]能滿足輸出電壓穩定，但動態響應不高，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，導致補償斜波設計十分復雜。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/共模環路的傳遞函數；在此基礎上，研究了一種無電流環的單周期控制策略，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，并得出相關結論。

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狀態的 SIDO-Buck變換器，在 Buck變換器的輸出電感側增加功率管 So，從而獲得另一個獨立輸出支路；通過控制開關管占空比di與 do，調整輸出電壓vo1與 vo2。輸入管 Si占空比 di的大小決定著變換器的輸入總能量，而輸出開關管So則決定每個周期內電感能量的分配，So導通則給C1及 R1支路充電。

圖1 SIDO-Buck變換器

忽略電感電流紋波，變換器的穩態方程：

式(2)表明SIDO-Buck工作于CCM模式的交叉調節耦合特性：(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節外，輸出電壓紋波較大也影響輸出特性。SIDOBuck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/共模環路

增加閉環控制的開關變換器能夠使得輸出電壓具有良好的穩態及動態響應性能。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；設電容：C1=C2=C；差/共模電壓量：vdm= vo1-vo2，vcm=(vo1+vo2)/2，可得 SIDO-Buck變換器的狀態方程：

共模環路通過調整輸入開關管Si占空比 di來控制輸出電壓的共模量，差模環路則通過調整輸出開關管So占空比do來控制輸出電壓的差模量[2]。在分析共模環路時，忽略差模環路影響，則輸入占空比di對輸出共模電壓影響用傳遞函數 Fcmv(s)表示：

當共模環路穩定工作時，輸出電壓的共模量恒定，則電感電流iL大小也保持恒定。假設輸出占空比do的變化不改變電感電流變量，僅與各支路輸出電壓 vo1和 vo2有關。困此，得到簡化后的輸出占空比do至輸出的差模環路傳遞函數 Fdmv(s)：

圖2 單周期控制SIDO-Buck變換器

1.3 單周期控制SIDO-Buck變換器

困單周期控制輸出響應速度較慢，為提高共模環路的輸出穩、動態特性，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補償的單周期控制 SIDO-Buck變換器，在共模環路中，輸出電壓經過反饋后得共模分量VCM，共模電壓與共模給定值VCM-ref進行比較后得誤差電壓 ve，通過 PI補償得補償電壓 vc；在單周期控制(OCC)中，當觸發時鐘來臨時，RS鎖存器導通，di輸出為高電平，輸入開關管Si導通，電感側電壓VA=Vg，將VA進行反饋后再進行積分(INT)，當積分的輸出值vi達到補償值 vc時，通過比較器產生復位信號，RS鎖存器輸出為低電平，Si關斷，VA=0，積分復位為零[5]。

與電流控制不同，這里不論輸入與輸出開關管的占空比存在何種關系，只要輸入開關管 Si導通，則VA=Vg，積分器的輸出總是線性增加。與電流控制相比，無需復雜的補償設計，具體實現起來比簡單。困單周期控制本身的響應速度較慢，對于共模環路的補償設計應增大比例系數，減小積分系數，以提高響應速度。圖3所示即為共模環路的閉環控制模型，其中Gc為PI補償的頻域函數；H為反饋函數；Ho為單周期控制傳遞函數。

圖3 共模環路的閉環控制模型

差模環路是基于共模環路穩定時電感電流恒定原則進行設計的，故共模環路的穩定性決定著整個系統的穩定性；對于差模環路，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后緣調制。將上述兩個閉環子系統進行組合，便可得到單周期控制整個SIDO-Buck系統的閉環控制系統框圖，但前文的分析忽略了一個環路對另一個環路影響。在考慮整個系統時，還須增加差、共模環路間的交叉耦合部分[6]；圖4為單周期控制SIDO-Buck變換器系統模型，H1、H2為反饋函數；Gc為 PI補償函數；Ge為差模環路控制模型；G12、G21為差、共模環路之間的交叉傳遞函數。

圖4 單周期控制SIDO-Buck變換器系統模型

各環路間的交叉傳遞函數推導得：

其中，a=2Do-1，Ce=2C/(a2+1)。

2 仿真及實驗

2.1 頻域仿真

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

圖5所示為單周期控制共模環路中閉環傳遞函數波特圖，其增益裕量及相位裕量較大，有利于系統的穩定，更關鍵的是能保證電感電流的穩定。

表1 電路參數

圖5 單周期控制共模環路中閉環傳遞函數波特圖

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，開關管選用IRF540N，二極管選用 1N5822；由于開關管的源極電位不固定，增加了隔離驅動電路；控制電路基于 TMS320F2812設計完成，設定開關周期為 36μs；波形記錄采用數字示波器JC1102CA。

圖 6所示為單周期控制SIDO-Buck變換器工作于穩定狀態時的相關實驗波形。

圖6(a)為輸入與輸出驅動波形，各開關管在每個周期內同時導通，但不同時關斷，即 di＜do，且 di=0.35，do= 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 So導通，vB=3.3V(vo1)，Si關斷vB=5.4V(vo2+0.4V，其中 1N5822導通壓降為 0.4V)，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模態相關，與輸入驅動無關。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計要求，將vo1輸出支路滿載(R1= 2 Ω)，測得3.3V輸出支路的電壓峰-峰值為120 mV，為輸出值的 3.6%；5.0V輸出電壓峰峰值為 60 mV，為輸出值的1.2%，滿足了實驗預期要求。圖6(d)為輸出電壓與輸入驅動波形，只有在輸入、輸出管關斷時，電感L才能對 vo2支路進行充電，當新一個周期開始時，vo2支路充電結束。對于 vo1支路，在一個周期開始時，Si、So導通，則 vo1支路開始充電，電壓開始線性上升，當輸入管 Si關斷后，電感由充電狀態轉為放電狀態，當輸出管So關斷，則 vo1支路充電結束。

Study on improved one-cycle control on SIDO-buck converter

Li Liangguang，Zheng Jia，Zhou Jian，Song Zhongmin，Xu Liangcheng
(School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

SIDO-Buck is a kind of converter using an inductor to achieve dual-output with low power components and high efficiency advantages，but it has a cross between the branches and a big ripple voltage，making the output voltage instability.The different modes and common-mode voltage leads current-control loop compensation slope design problems because of the introduction of the difference between the inductor current.This paper studies another control strategy without current loop to achieve stably single-cycle SIDO-Buck converter output，and establishes system model of single-cycle control SIDO-Buck converter closed-loop.The feasibility of a single-cycle control SIDO-Buck converter of the strategy is verified by simulation and experiment.

portable electronic system；SIDO-Buck；single-cycle control；diffential/common voltage mode

TN86

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.036

李良光，鄭加，周建，等.改進型單周期控制SIDO-Buck變換器研究[J].電子技術應用，2015，41 (7)：129-131，135.

英文引用格式：Li Liangguang，Zheng Jia，Zhou Jian，et al.Study on improved one-cycle control on SIDO-buck converter[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：129-131，135.