朱池生 张琦

（中国电子科技集团公司第四十三研究所 安徽省合肥市 230088）

1 引言

调频模式的开关电源是开关信号脉宽较窄且固定，通过输出反馈的情况调整开关管的工作频率，以达到控制变压器或电感输入功率的目的，其优点是轻载和超低功耗应用时转换效率较高。

Buck 电路一般有两种工作模式，连续工作模式（CCM）和断续工作模式（DCM）。断续工作模式（DCM）下Buck电路，当开关管的开通时间固定时，可以通过控制开关管的工作频率来实现调频工作模式。本文首先分析了传统调频Buck 电路的工作原理，然后分析了传统调频Buck 电路损耗大、效率低的缺点，并在基础上研究了一种调频调宽的工作模式。基于改进后的调频调宽工作模式，通过试验样机测试结果表明，改进后的调频调宽模式的Buck 电路不仅可以实现调频功能，而且转换效率较高。

2 原理与设计

2.1 调频Buck工作原理

图1 为单相Buck 电路，将工作于DCM 模式Buck 电路在一个开关周期内工作过程分为三个阶段进行分析，各个时间段内的电压电流波形如图2 所示。其中DTs 为整流管的导通时间，Ts 为开关周期，V为Buck 电感两端的电压，i为流过Buck 电感的电流。

图1： 单相Buck 电路图

图2： 单相Buck 电路调频时序图

第一阶段（0-DTs）：在0 时刻，驱动电路开通整流管Q1，续流管Q2 处于关断状态，此时电感L1 两端的电压为输入电压Vin 和Buck 电路输出电压Vbus 的电压差，电感电流i从0 开始随着时间线性上升，在DTs 时刻，电感电流上升至峰值电流I。

根据电感中电流和电压的关系，可以计算出在不同输入电压下电感电流上升时间：

第二阶段（DTs-t1）：在DTs 时刻，驱动电路关断整流管Q1，由于电感存在电流，所以续流管Q2 中的体二极管导通。为了提高产品的转换效率，减小续流管Q2 的功耗，在延迟一定的死区后，驱动电路开通续流管Q2。此时电感L1 两端的电压为Buck 电路输出电压Vbus，电感电流i从I开始随着时间线性下降，在T1 时刻，电感电流下降为0 A。

根据电感中电流和电压的关系，可以计算出在不同输入电压下电感电流下降时间：

式（2）中L为Buck 电感的电感量，L为流过电感的峰值电流。

第三阶段（t1-Ts）：在t1 时刻，流过电感中的电流为0 A，续流管Q2 中的体二极管不再导通，此时整流管Q1 也处于关断状态，如果不考虑寄生参数的影响，电感两端的电压为0，直到Ts 时刻，从而完成整个开关周期。

根据式（1）和式（2），可以推导出Buck 电路的开关频率为：

式（3）中I为Buck 电 路 的 输 出 电 流，L为Buck 电感的电感量，I为流过电感的峰值电流。

从式（3）可以得出，Buck 电路的开关频率与输出电流存线性关系，而与输入电压存在非线性关系。

在图2 时序图中，当Buck 电路的导通时间固定时，随着输入电压的升高，电感电流峰值增大，从而导致MOSFET的开关损耗增大。

针对Buck 电路的变频工作模式，研究了一种改进型调频调宽工作模式。

2.2 改进型的调频调宽Buck工作原理

图3 为改进型的单相Buck 电路调频调宽电路框图，对比传统的单纯调频电路，图3 中增加了开关管的导通时间计算单元。Buck 电路输出电压与基准电压比较，经过PID 单元后输入到工作频率计算单元。导通时间和工作频率经过逻辑运算单元产生调频调宽波形。随着数字控制芯片的高速发展，以上三个计算单元可以通过单一数字控制芯片来实现。

图3： 单相Buck 电路调频调宽电路框图

图4 为单相Buck 电路调频调宽工作模式时序图。与图2 不同的是，随着输入电压的升高，通过减小开关管的导通时间，保持电感电流峰值不在明显增大，这里设定为恒定值。

图4： 单相Buck 电路调频调宽时序图

根据式（1）和式（2），重新推导出Buck 电路的开关频率为：

2.3 仿真对比验证

通过相同的参数仿真，对比两种变频工作模式下的电感电流峰值情况和频率调节范围。

2.3.1 传统调频Buck 电路

以单相Buck 电路输出210.5 W 为例，Buck 电感为0.23 μH，Buck 输出电压为9.7 V，Buck 输出电流I为21.7 A。Buck 电路开关管的导通时间选取依据是正好保证低端处于临界连续模式，这里导通时间取1.6 μs。

通过仿真可以得到在16 V、24 V 和40 V 输入电压下Buck 电路电感电流波形如图5(b)所示，从图中可以看出，在低端16 V 输入下，电感电流峰值为43 A，电流波形处于临界连续模式。在高端40 V 输入下，Buck 电感电感电流峰值已到210 A，这样开关管的开关损耗很大。图5(c)为传统调频Buck 电路频率调节范围，在固定导通时间1.6 μs时，在整个输入电压范围内的频率调节范围为31 KHz～375 KHz。

图5： 调频Buck 电路仿真波形

2.3.2 改进型调频调宽Buck 电路

同样以单相Buck 电路输出210.5 W 为例， Buck 电感为0.23 μH，Buck 输出电压为9.7 V，Buck 输出电流Ib为21.7 A，假设电感峰值电流I在整个输入电压范围16 V～40 V 内均为57 A，通过仿真可以得到在16 V、24 V和40 V 输入电压下Buck 电路开关的导通时间如图6(a)所示。从图中可以看出为了保证Buck 电感电流峰值恒定，高端40V 输入下的导通时间为0.433 μs，低端16V 输入下的导通时间为2.08 μs。图6(b)为恒定峰值电流情况下的电感电流波形，在整个输入电压范围内的频率调节范围为222 KHz～427 KHz 如图6(c)所示。

图6： 调频调宽Buck 电路仿真波形

表1 为以上两种工作模式的仿真结果对比表，从表中可以看出，调频调宽模式Buck 具有更小的电感电流峰值，对转换效率会有很大的提升。

表1： 仿真结果对比

3 实验验证

为了验证所提调频调宽工作模式Buck 电路可以提高产品的转换效率，搭建了一台试验样机，样机整体电路框图如图7 所示，整个主功率电路结构由Buck+固定增益级级联拓扑组成。固定增益级起到变压和初次级隔离作用，固定增益级的变压器初次级匝比为1:3，工作在固定频率500 KHz上。

图7： 样机的功率电路结构

Buck 级电路工作在变频模式下，通过调节Buck 电路的工作频率来调节产品的输出电压，从而使产品的输出电压稳定。固定增益级用来实现输入和输出之间的隔离，同时也实现固定增益变压功能。由于固定增益级增益的固定的，即Buck 级的输出电压Vbus 与输出电压Vout 的关系为：

式（6）中N 为固定增益级变压器初次级匝比1/3，V为Buck 电路输出，V为整个样机的输出。

由于Buck 电路是降压电路，所以Buck 电路输出电压必须低于最低输入电压，针对16 V～40 V 输入电压范围和额定28 V 输出电压，并且考虑输出可调至110%，所以固定增益级的固定增益为1:3，考虑到PCB 导带等阻抗，所以Buck电路输出电压为9.7 V 左右。由于整个产品的输出功率为400 W，预设后级电路的转换效率为95%，那么计算出Buck电路总的输出功率为421 W，总的输出电流为43.4 A，可以计算出每相Buck 电路的输出电流为21.7 A。设置Buck 电感量为0.23 μH 和Buck 电感峰值电流为57 A。

通过对每相Buck 电路中续流管的漏极电压波形进行测试，图8 为16 V、24 V 和40 V 输入电压下的Buck 电路续流管漏极电压波形。根据漏极波形可以测量出开关管的导通时间，从而可以计算出电感电流的峰值,如表2 所示。

表2： 实验测试结果

图8： 图7 中Vs1 和Vs2 波形

表2 为列出了三种输入电压情况下的导通时间、工作频率、计算出来的峰值电流和转换效率，从测试数据可以看出，高端40 V 输入下导通时间仅为0.45 μs，电感电流峰值为59.3 A。随着输入电压的升高，工作频率增大，转换效率减小，但是40 V 输入下的转换效率并没有减小很多。

4 结论

本文阐述了调频Buck 电路的工作原理，分析了传统调频模式Buck 电路的缺点，并在此基础上研究了改进型的调频调宽模式Buck 电路。通过样机试验验证，验证结果表明调频调宽模式Buck 电路可以获得全输入电压范围内较好的转换效率。