基于脉冲频率调制的开关变换器数字纹波控制技术研究

摘要

随着电力电子设备的快速发展，对开关电源的性能要求也越来越高。脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation, PFM)技术由于具有轻载效率高，瞬态响应速度快的优势而备受关注。但是，传统PFM开关变换器的输出稳压精度差，难以满足如计算机、微处理器等电子设备的高稳压精度需求；且存在稳定性问题，即较小的输出电容等效串联电阻(Equivalent Series Resistor, ESR)，变换器出现不稳定现象。因此，研究具有高稳压精度的PFM开关变换器及其稳定性问题的解决方法具有重要意义。　　为了提高PFM开关变换器的输出稳压精度，提出了基于PFM的开关变换器数字纹波控制技术。介绍了PFM数字纹波控制Buck变换器的工作原理、控制算法；理论分析了其稳压精度、稳定性问题和克服开关周期延迟的条件；并通过仿真对理论进行了验证。研究结果表明：双缘PFM稳压精度高，而单缘PFM稳压精度差；当ESR较小时，单缘和双缘PFM均存在稳定性问题；不满足克服开关周期延迟的条件会影响变换器的瞬态响应性能。　　为了解决PFM数字纹波控制Buck变换器存在的稳定性问题，提出了PFM数字纹波控制的电容电流补偿技术。详细介绍了其工作原理、控制算法；通过建立采样数据模型，对PFM数字纹波控制及其电容电流补偿进行了稳定性分析，得到了稳定工作范围的显性表达式；并对PFM数字纹波控制进行了总结。通过仿真和基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)的数字控制实验平台对稳定性分析进行了验证，并通过实验讨论了引入电容电流补偿技术对系统瞬态性能的影响。研究结果表明：双缘PFM的稳定范围较单缘PFM更宽；采用电容电流补偿技术可进一步提高系统稳定性，并能够提高系统的瞬态响应性能。　　为了拓展基于PFM的开关变换器数字纹波控制技术的应用范围，简化传统功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)变换器的控制环路设计，研究了双缘PFM数字纹波控制PFC变换器。详细分析了其瞬态响应速度慢的原因，研究了新型的输入电流参考信号获取方法，进一步提出了具有快速瞬态响应速度的改进型双缘PFM数字纹波控制PFC变换器，并进行了稳定性分析。仿真和基于数字信号处理器(Digital Signal Processing, DSP)的实验平台的结果表明：与双缘PFM数字纹波控制相比，改进型PFM数字纹波控制PFC变换器的瞬态响应速度更快，电压波动更小。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 数字脉冲宽度调制技术

1.2.1 单缘调制技术

1.2.2 双缘调制技术

1.3 脉冲频率调制技术

1.3.1 COT 调制技术

1.3.2 CFT 调制技术

1.4 脉冲频率调制技术研究现状

1.4.1 PFM 存在的问题

1.4.2 COT 调制电容电流控制技术

1.4.3 PFM 在PFC 变换器中的应用

1.5 论文主要工作

第2章 基于脉冲频率调制的数字纹波控制技术

2.1 COT调制数字纹波控制Buck变换器工作原理及控制算法

2.2 CFT调制数字纹波控制Buck变换器工作原理及控制算法

2.3 稳态性能分析

2.3.1 稳压精度

2.3.2 输出电容ESR 对稳定性的影响

2.4 克服开关周期延迟的条件

2.5 仿真分析

2.5.1 稳压精度对比

2.5.2 稳定性对比

2.5.3 开关周期延迟对瞬态响应性能的影响

2.6 本章小结

第3章 脉冲频率调制数字纹波控制的电容电流补偿技术

3.1 基于电容电流补偿的PFM数字纹波控制算法

3.1.1 引入电容电流补偿的双缘COT 调制数字纹波控制

3.1.2 引入电容电流补偿的双缘CFT 调制数字纹波控制

3.2 稳定性分析

3.2.1 单缘PFM 采样数据建模及稳定性范围

3.2.2 双缘PFM 采样数据建模及稳定性范围

3.3 PFM数字纹波控制总结

3.4 仿真及实验验证

3.4.1 仿真验证

3.4.2 实验验证

3.5 本章小结

第4章 基于双缘脉冲频率调制的数字纹波控制功率因数校正变换器

4.1 双缘PFM数字纹波控制PFC变换器

4.1.1 工作原理及控制算法

4.1.2 瞬态响应的限制问题

4.2 改进型双缘PFM数字纹波控制PFC变换器

4.2.1 电流参考信号

4.2.2 工作原理及控制算法

4.2.3 稳定性分析

4.3 仿真及实验验证

4.3.1 仿真验证

4.3.2 实验验证

4.4 本章小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果