峰值电流控制Buck变换器高频建模及结合遗传算法的控制器优化设计

峰值电流控制Buck变换器广泛应用于电源管理芯片。小信号建模是设计其控制器的关键。现有模型忽略电压外环引入的稳态控制信号纹波与小信号扰动延拓频谱对系统的影响,在高控制带宽场景下失效,从而无法指导控制器的设计。该文首先指出控制器设计决定了控制信号纹波类型,进而研究了可导型纹波对系统建模的影响;然后综合考虑电压、电流环导致的频谱耦合,得到精确的高频模型;最后基于高频模型,提出一种结合遗传算法的高带宽控制器优化设计方法。仿真与实验证明了该模型的精确性与设计方法的优越性。

一种应用于半桥拓扑的斜率补偿电路

针对在峰值电流控制模式下半桥型开关电源存在次谐波振荡的问题,提出一种新型斜率补偿电路。该斜率补偿电路由少量外围常用器件构成,其补偿深度可由外围器件参数进行调节,与开关驱动信号完全保持同步。基于LTspice搭建斜率补偿电路的仿真模型,仿真结果表明,该电路补偿效果良好。样机实测结果也验证了该斜率补偿电路的有效性。所提电路适用于选择峰值电流模式但电源管理芯片内部没有斜率补偿电路的应用场合。

抑制图腾柱PFC电流过零尖峰控制方法的研究

针对工作在CCM模式下的图腾柱拓扑PFC在电压过零点处电流的畸变问题,在详细阐述图腾柱PFC的工作原理及过零电流尖峰产生原因的基础上,提出一种改进型的过零控制方式,在输入电压过零时刻前后插入死区为低频开关管反向恢复提供时间。在死区时段后对高频开关管施加渐进占空比信号,以完成对低频桥臂的寄生电容上电压释放,并降低过零电流尖峰。控制策略采用基于占空比前馈平均电流控制原理的双闭环控制,提高电流对电压的动态响应能力。基于上述方法,搭建了一台交流输入电压220 V,直流输出电压400 V,满载2 kW的实验样机并进行实验研究。实验结果表明,样机峰值效率可达98.3%,满载时功率因数高达0.99。

螺旋波等离子体放电特性研究进展

螺旋波等离子体是目前低温等离子体产生密度最高的等离子体源之一,在材料处理、薄膜沉积、宇航推进、磁约束聚变以及基础等离子体物理研究等领域都有很大的应用潜力.近年来国内外研究者普遍关注这种高密度等离子体源,一方面人们对螺旋波等离子体的放电理论缺乏深入的认识,对等离子体激发和传播过程中能量的吸收存在多种假设,比较认可的是螺旋波等离子体通过螺旋波与TG波耦合效应实现能量沉积;另一方面,螺旋波等离子体放电过程中会表现出许多独特的现象,如低场峰、模式跃迁、无电流双层结构等,无法给出统一的解释,对这些放电特性的研究无疑有助于加深对螺旋波等离子体放电机制的理解.文章从放电机制和放电特性两方面出发回顾了近15年来螺旋波等离子体基础研究进展,总结了螺旋波等离子体放电过程中的低场峰现象、模式跃迁和无电流双层现象等研究结果.围绕螺旋波等离子体放电特性研究,展望了未来的研究重点,为理解螺旋波等离子体能量耦合机制,实现工业应用提供支撑.

一种峰值电流模式DC-DC转换器控制电路设计

基于中科渝芯40 V双极型工艺,完成了一种峰值电流模式DC-DC电压转换器控制电路的模块设计、芯片版图设计和流片验证,其通用于升压、降压、反相的场景,并可以实现输出电压可调。电路采用峰值电流模式的PWM控制方式,能够更好的提供瞬态特性以及重载下的输出性能。芯片集成功率开关管,采用类三角形分布式发射极版图设计,保证足够发射区面积的同时有效降低了基极电阻,减弱了电流集边效应,弥补了发射极去偏置效应,并且不增加额外面积。实测数据表明:外接1 nF的定时电容可产生约32 kHz的振荡频率,功率开关管关态集电极电流低至52 nA,功率管直流电流增益约为131,基准电压温度系数约为0.09 mV/℃,静态电源电流低,约为2.7 mA。

一种应用于双相峰值电流模Buck的轻载模式

设计了一种双相位峰值电流模控制、具有大负载能力的降压稳压芯片。通过双相位的工作,保证了芯片在重载下具有较高的效率。同时,为了防止在轻载下两个相位的工作引入额外的开关损耗,提出了一种轻载模式。通过利用电流模控制模式中电压环路内误差放大器产生的控制电压来检测实际负载的大小,实现相位的切换以及在更低负载下的断续导通降频工作模式。基于0.35μm BCD工艺进行仿真设计。仿真结果表明,在输入电压12 V,输出电压1 V,开关频率500 kHz,最大负载20 A下,与传统单通道峰值电流模比较,重载20 A下的效率可以提升3个百分点,轻载0.5 A下的效率可以提升10个百分点。

一种用于数字峰值电流模Buck的高精度DPWM设计

为减小脉冲关断延迟,提出了一种用于数字峰值电流模Buck的高精度数字脉冲宽度调制器(DPWM)的设计方案。采用粗调与细调相结合的分段式架构思想,粗调部分由全局时钟控制计数器-比较器模块构成,细调部分由锁相环组成的相移电路、计数器-比较器、多路选择器和逻辑门构成,以此产生不同精度的两段式延迟叠加,实现较高的DPWM输出精度。采用Vivado和Xilinx7系列FPGA,仿真并测试了搭载高精度DPWM的Buck。仿真结果表明,DPWM时间分辨率为250 ps,精度为0.01%。此外,测试结果表明,与低精度DPWM相比,设计的高精度DPWM一定程度上抑制了系统的极限环振荡,提高了Buck的环路带宽及系统稳定性。

An Adaptive Slope Compensation Circuit for Peak Current Mode of Boost Switching Power Supply

Based on the analysis of the basic principle of slope compensation, a high-precision adaptive slope compensation circuit for peak current mode boost DC/DC converter is designed. The circuit dynamically detects the input and output voltage of the boost circuit to realize automatic adjustment of the compensation amount with the change of duty ratio, which makes the ramp compensation slope optimized. The design uses a high-precision subtracter to improve the accuracy of slope compensation. While eliminating sub-slope oscillation and improving the stability of boost circuit, the negative impact of compensation on boost circuit is minimized, and the load capacity and transient response speed of boost circuit are guaranteed. The circuit is designed based on SMIC 0.18um CMOS technology, with simple structure, high reliability and easy engineering implementation. Spectre circuit simulator 17.1.0.124 64b simulation results show that the circuit has high compensation accuracy and wide input and output voltage range. When the working voltage is 3.3 V, the compensation slope can be adjusted adaptively under different duty cycles, and the minimum error between the compensation slope and the theoretical optimal compensation slope is only 0.42%.

高亮度白光LED驱动控制器设计

针对多种应用条件下高亮度白光LED的驱动要求,提出一种对于不同应用电路拓扑具有广泛适应性的LED驱动控制器芯片.设计采用峰值电流模式控制策略以适应LED的控制特性.针对不同应用拓扑对宽供电电压适应性的要求,引入高精度线性调压器为系统提供稳定的基准电压与工作电压;针对常用的Buck、Boost和Buck-Boost3种拓扑分别提供灵活的接入端口;为支持不同拓扑下的电流检测,构造一个兼具高端与低端电流检测功能的运算放大器;应用分段线性补偿解决斜率补偿中补偿不足或过补偿的问题.芯片实现了3000:1的高调光比,并给出了整个控制器芯片和模块的电路设计.该芯片在1.5μmBCD(bipolar-CMOS-DMOS)工艺下设计与流片,样片测试的结果与设计目标基本一致,取得了预期的效果.

一种新型研究Boost电路大信号稳定性的模型

随着科技的不断进步,多模块系统越来越多地被运用在各种复杂的应用场合。其中级联是应用最广泛的连接形式。级联稳定性(包括小信号稳定性和大信号稳定性)是系统可靠运行的关键因素。由于电力电子变流器属于强非线性系统,直接分析单级变流器或者级联系统的大信号稳定性是极其复杂的,故建立一种简单、有效的大信号模型是研究系统大信号稳定性的基础。本文以峰值电流控制下的Boost电路为例,提出了一种新的大信号模型。该模型利用功率守恒原理,在平均化的同时,实现了不同工作条件下(如CCM和DCM)大信号模型的统一,并实现了系统的降阶,适合系统行为级建模及后续级联系统大信号稳定性分析。仿真和实验均证明了模型的正确性。

峰值电流控制模式中的分段线性斜坡补偿技术

PWM反馈技术在现代DC-DC芯片中得到了广泛的应用,在此基础上讨论了PWM模式峰值电流控制中的斜坡补偿的意义,并结合峰值电流模控制方式,提出一种分段线性斜坡补偿方法,详细的介绍了分段线性斜坡补偿电路的设计思想,并且给出了最终设计电路。该电路提供的补偿信号在不同的占空比区间具有不同的斜率。电路基于Hynix 0.5μm CMOSStandard Logic工艺设计,并经Hspice仿真验证达到设计目标。该斜坡补偿电路的优化设计避免了因过补偿而带来的系统瞬态响应慢和带载能力低等不良影响。

一种用于PWM变换器的斜坡补偿电路设计

针对传统斜坡补偿的PWM变换器的电流输出能力会随着补偿电流的增加而下降的缺点,设计了一种用于峰值电流模式PWM变换器的斜坡补偿电路.通过改进系统箝位电路,使箝位电压能够随着补偿电流动态变化,从而保持系统的输出电流能力恒定,减小输出电压纹波.仿真采用CSMC 0.6μm工艺,结果表明:在输入电压大于1 V、占空比大于50%时,输出电压纹波在10 mV左右,大大提高了负载能力和系统稳定性.

零扰动补偿控制电流模式Buck变换器

针对峰值电流模式开关功率变换器系统普遍存在的次谐波和混沌不稳定行为,本文提出了一类零扰动补偿抑制新思路。结合峰值电流模式Buck变换器中输入和输出量之间的稳态关系,给出了简化的零扰动补偿控制条件,构建出相应的控制方程及模拟实现电路,基于傅里叶级数分解导出了系统分岔边界方程,确定出控制参数的可控范围。最后,给出了零扰动补偿控制效果的仿真和实验结果,验证了理论分析的正确性和所提零扰动补偿控制思路的有效性。

峰值电流控制二次型Boost变换器

二次型Boost变换器因其具有宽输入电压范围特性而得到广泛关注。与传统Boost变换器相比,二次型Boost变换器含有两个LC滤波器,呈现四阶动力学特性。本文提出将二次型Boost变换器输入电感电流和输出电容电压作为反馈信号的峰值电流控制策略,简化了控制环路设计。实验结果验证了峰值电流控制二次型Boost变换器具有瞬态特性好、输出电压纹波小等优点。

Boost PFC变换器的动态斜坡补偿策略分析与设计

传统斜坡补偿方式可以有效抑制峰值电流模式,控制Boost功率因数校正(PFC)变换器系统的次谐波振荡不稳定现象,但是同时会造成电流过零处的死区问题,从而引起较大的被控平均电流畸变和功率因数恶化问题。对此提出一种动态斜坡补偿控制新思路,有效改善斜坡补偿方式存在的电流畸变问题,同时能确保对次谐波振荡的抑制。基于系统输入输出的准稳态关系导出了所提动态斜坡补偿的控制方程,其相应实现电路简单可行。进一步分析了被控平均电流的谐波畸变特性,给出了斜坡补偿方式和所提动态斜坡补偿方式下平均输入电流的谐波分解结果,从理论角度说明了所提控制的改进补偿效果。仿真结果与理论结果基本相吻合,所得的实验结果很好地证实了所提动态斜坡补偿控制的可行性,也证实了理论分析结论的正确性。

峰值电流模式变换器自适应斜坡补偿电路设计

峰值电流模式变换器工作于CCM模式且D>0.5时,存在开环不稳定性等问题,必须进行斜坡补偿。针对常规的斜坡补偿方式所存在的缺陷,设计了一种补偿量自动适应输入输出电压变化的斜坡补偿电路。利用MOS管工作于线性区的压控电阻特性,实现了在整个占空比区间内自动适应、优化的斜坡补偿,与传统的设计相比,自适应斜坡补偿对系统带载能力、瞬态响应的负面影响减至最小,改善系统性能,增加系统稳定性,是进行斜坡补偿的最佳方案。最后给出仿真结果。

峰值电流模升压变换器分段线性斜坡补偿设计

结合一款升压型直流-直流变换器,介绍了峰值电流模式中的斜坡补偿基本原理,提出了一种分段线性斜坡补偿电路。该电路提供的补偿信号在不同占空比空间具有不同的斜率,减小了斜坡补偿对系统带载能力、瞬态响应的负面影响。

反馈稳定控制电流模式DC/DC变换器

首先给出了自稳定控制的物理概念及其基于滤波器的实现思路,同时依据PWM控制DC/DC变换器系统的分段线性特点,提出了一种新的Jacobian矩阵求解方法,将其应用于自稳定控制峰值电流模式Boost变换器系统,实现了反馈控制参数优化分析,最后给出了有关的仿真和实验结果,验证了文中所提控制方法的有效性和理论分析的正确性。

控制关断时间的峰值电流模式准PWM控制方法

为使采用峰值电流模式控制方法的电流环在不做斜坡补偿的情况下能在很宽的占空比范围内稳定工作,文中提出了控制关断时间的峰值电流模式准PWM控制方法。该方法通过输入输出电压或占空比的反馈独立控制关断时间以维持开关周期的恒定,并使电流环电感电流扰动偏差无法再逐周期传递,从而消除了次谐波振荡的可能。由于峰值电流限值本身的纠偏作用,电流环电感电流的扰动偏差在单周期内即可被消除,动态调节时间极短,因此应用此方法的电流环具有高度的稳定性和快速性。仿真与实验结果验证该控制方法及其分析的正确性。

峰值电流模式降压DC／DC变换器芯片设计

设计了一种基于UMC0.6μmBCD工艺的降压DC／DC转换芯片。采用固定频率脉宽调制（PWM）、峰值电流模式控制结构以提供优良的负载调整特性和抗输入电源扰动能力；在电流检测输出加斜坡补偿消除峰值电流模式次谐波振荡；设计增益较高、带宽较大的电压反馈误差放大器以提供大的负载调整率和提高负载的瞬态响应能力；设计高单位增益带宽的PWM控制器以适应高开关频率工作的要求，同时提高转换效率。系统仿真结果表明，在4～20V的输入电压范围内，芯片的开关频率为600kHz，开关电流限制值为1.8A，典型应用下转换效率高达90％，并具有良好的抗输入扰动和负载调整能力、快速的瞬态响应能力、小的输出纹波等特点。