一种高降压比双输出Buck变换器的分析与设计.pdf

第 4 期收稿日期院2021鄄01鄄08曰录用日期院2021鄄03鄄23基金项目院陕西省自然科学研究计划资助项目渊2023鄄JC鄄YB鄄442冤Project Supported by Natural Science Research Program ofShaanxi Province渊2023鄄JC鄄YB鄄442冤随着电子设备的不断发展袁智能手机尧平板电脑等需要多路电源的电子设备日益增加袁 因此多输出开关变换器受到国内外专家的广泛关注1鄄4遥 其中袁单电感双输出 SIDO渊single鄄inductor dual鄄output冤DC/DC变换器可将一路直流输入电压转换为两路输出电压袁节约了成本袁并提高了转换效率袁成为了国内外研究热点5鄄8遥为了提高 SIDO Buck 变换器的性能袁国内外学者已经进行了大量研究遥 文献9建立了电压控制SIDO CCM Buck 变换器的小信号模型袁指出两条支路的负载变化时变换器的交叉影响情况曰 文献10提出了一种 SIDO DCM Buck 变换器的电流型脉冲序列 PT渊pulse train冤控制方法袁提高变换器轻载时的瞬态响应曰文献11提出的 SIDO PCCM Buck 变换器袁克服了电感电流纹波较大的缺点遥 上述研究均从控制角度改善了 SIDO Buck 变换器的动态性能袁但关于如何提高变换器的稳态性能袁如提高 SI鄄DO Buck 变换器的降压比却还未见报道遥一种高降压比双输出Buck变换器的分析与设计皇金锋袁任舒欣袁谢锋渊陕西理工大学电气工程学院袁汉中 723001冤摘要院为解决传统单电感双输出 SIDO渊single鄄inductor dual鄄output冤Buck 变换器降压比低的问题袁引入了二次型单元袁提出一种高降压比双输出 Buck 变换器遥对高降压比双输出 Buck 变换器的工作原理进行了深入分析袁发现其存在 4 种工作模式袁求出了变换器的电压增益表达式袁得到了各个工作模式的临界电感袁总结出了工作模式与电感和负载之间的关系遥建立了各个工作模式的纹波电压解析式袁并分析了纹波电压与电感的关系遥以电感纹波电流和电容纹波电压为约束条件袁获得了电感和电容的设计公式遥 搭建了实验平台袁实验结果验证了理论分析的正确性遥关键词院双输出 Buck 变换器曰高降压比曰工作模式曰参数设计Analysis and Design of Dual鄄output Buck Converter withHigh Step鄄down RatioHUANG Jinfeng,REN Shuxin,XIE Feng渊School of Electrical Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China冤粤遭泽贼则葬糟贼院 To solve the problem that the conventional single鄄inductor dual鄄output渊SIDO冤 Buck converter has a lowstep鄄down ratio,a quadratic type unit is introduced and a dual鄄output Buck converter with a high step鄄down ratio isproposed.The working principle for this converter is analyzed in depth,and it is found that there exist four workingmodes.The voltage gain expression of this converter is formulated,the critical inductance in each working mode isobtained,and the relationship among the working mode,inductance and load is summarized.The analytical expressionsof output ripple voltage渊ORV冤 in each working mode are established,and the relationship between ORV and inductanceis analyzed.The inductance ripple current and capacitance ripple voltage are taken as constraint conditions,and thedesign formulas of inductance and capacitance are obtained.An experimental platform was set up,and experimentalresults verified the theoretical analysis.Keywords:dual鄄output Buck converter;high step鄄down ratio;working mode;parameter designDOI院10.13234/j.issn.2095鄄圆愿园缘援圆园23援4.1中图分类号院TM46文献标志码院A电源学报Journal of Power SupplyVol.21 No.4Jul.2023第 21 卷 第 4 期2023 年 7 月电源学报第 21 卷图 1高降压比双输出 Buck 变换器Fig.1 Dual鄄output Buck converter with highstep鄄down ratio图 23 种工作方式的工作波形Fig.2 Working waveforms in three working modes降压型变换器的降压比是衡量此类变换器性能的重要指标遥 级联型 Buck 变换器能够提高变换器的降压比12鄄14袁提高为传统 Buck 变换器的降压比平方袁但级联式电路存在冗余功率的传输袁导致变换器的效率较低袁 同时存在功率器件应力大的问题遥 降压型二次型电路具有级联式电路相同的降压比15鄄18袁且减少了冗余功率的传输袁能够提高变换器的工作效率遥为了增强 SIDO Buck 变换器的环境适应性和功能拓展性袁本文在传统 SIDO Buck 变换器的基础上袁加入降压型二次型单元袁提出一种高降压比双输出 Buck 变换器遥深入分析了高降压比双输出 Buck 变换器的工作模式和纹波电压袁 得到各种工作模式的临界电感袁并推导出每种工作模式的输出电压增益和纹波电压表达式袁得到了电感和电容的设计依据遥 最后通过实验验证了理论分析的正确性遥1高降压比双输出 Buck 变换器1.1 变换器工作原理高降压比双输出 Buck 变换器主电路如图 1 所示袁变换器由电感 L1和 L2尧储能电容 C1尧滤波电容 Ca和 Cb尧输入开关管 VTi尧支路开关管 VTa和 VTb尧续流二极管 VD1尧VD2和 VD3以及负载 Ra和 Rb构成遥图中袁L1尧C1尧VD1和 VD2构成二次型单元袁Di尧Da和 Db分别为开关管 VTi尧VTa和 VTb的导通占空比遥 根据占空比 Di与 Db的大小关系袁高降压比双输出 Buck 变换器存在 3 种不同的工作方式袁 分别是院DiDb袁这 3 种工作方式波形如图 2所示遥+-+-+-Vi二次型单元iL1DiiL2DaIoaVD2VD1L1C1VTiL2VD3VTaCaDbRaIobCbRbVoaVobVTb渊a冤DiDb方式DiDbDaiL1iL2t0t1t2t3tttttDiDbDaiL1iL2t0t1渊t2冤t3tttttDiDbDaiL1iL2t0t1t2t3ttttt2第 4 期皇金锋袁等院一种高降压比双输出 Buck 变换器的分析与设计渊a冤CCM鄄CCM 工作波形渊b冤DCM鄄CCM 工作波形图 3开关模态等效电路Fig.3 Equivalent circuit in switch mode支路开关管的占空比满足 Da+Db=1袁 即两条支路的控制信号相位互补遥由于 3 种工作方式的分析方法类似袁 限于篇幅袁本文以 Di0尧IL2V0 时袁变换器工作于 CCM鄄CCM袁稳态工作波形如图 4渊a冤所示遥在 t0t1时间段袁开关管 VTi和 VTb开通袁VTa关断袁输入电压 Vi为电感 L1充电袁电容 C1为电感 L2充电遥 在 t1t2时间段袁开关管 VTi关断袁VTb继续开通袁电感 L1为电容 C1充电袁电感 L2继续为电容 Cb充电遥 在 t2t3时间段袁VTb关断袁VTa开通袁 电感 L1继续为电容 C1充电袁电感 L2为电容 Ca充电遥1.2.2 不连续导电模式当 IL1V=0尧IL2V0 时袁 变换器工作于 DCM鄄CCM袁稳态工作波形如图 4渊b冤所示遥在 t23t3时间段袁由于IL1V=0袁因此电容 C1停止充电遥 后级电感 L2的工作情况与 CCM鄄CCM 相同遥 当 IL1V0尧IL2V=0 时袁变换器工作于 CCM鄄DCM袁稳态工作波形如图 4渊c冤所示遥在 t24t3时间段袁IL2V=0 时袁此时间段袁负载 Ra由电渊a冤模态玉渊b冤模态域渊c冤模态芋ViVD2VD1L1C1VTiL2VD3VTaVoaVobVTbViVD2VD1L1C1VTiL2VD3VTaVoaVobVTbViVD2VD1L1C1VTiL2VD3VoaVobVTbViL1VTiL2VTaViVD2VD1L1C1VTiL2VD3VoaVobVTbDiDbDaiL1PiL2t0t1t2t3tttttiL1iL2PiL2ViL1V00000DiDbDaiL1PiL2t0t1t2t3tttttiL1iL2PiL2ViL1Vt23000003电源学报第 21 卷图 5CCM 电压增益随负载的变化关系Fig.5 Relationship of voltage gain with load inCCM mode图 4变换器不同工作模式的工作波形Fig.4 Working waveforms of converter in differentworking modes渊c冤CCM鄄DCM 工作波形渊d冤DCM鄄DCM 工作波形容 Ca供电袁 前级电感 L1工作情况与 CCM鄄CCM 相同遥当 IL1V=0尧IL2V=0 时袁变换器工作于 DCM鄄DCM袁稳态工作波形如图 4渊d冤所示遥 由于在 t22t3和 t24t3时间段 IL1V=0尧IL2V=0袁因此电容 C1和电容 Ca均停止充电袁且负载 Ra由电容 Ca供电遥2稳态分析2.1 CCM 输出电压增益分析利用状态空间平均法19袁可得变换器工作在CCM 时两条支路的输出电压增益分别为Moa=D2i渊1-Db冤Ra渊1-Db冤2Ra+D2bRbMob=D2iDbRb渊1-Db冤2Ra+D2bRb扇墒设设缮设设渊1冤式中院Moa=Voa/Vi曰Mob=Vob/Vi遥电容 C1上的电压为VC1袁CCM=DiVi0鄣驻VDCMob鄣L20扇墒设设缮设设渊19冤分析式渊19冤可知袁当变换器的电感 L2工作于DCM 时袁支路 a 的输出纹波电压随着 L2的增大而增大袁支路 b 的输出纹波电压随着 L2的增大而减小遥4变换器参数设计参数设计主要考虑电感和电容参数的设计袁其中电感的设计主要考虑电感纹波电流的约束袁电容的设计主要考虑电容纹波电压的约束遥4.1 电感设计由第 2.3 节的分析可知袁电感取值与电感电流纹波密切相关袁 若规定电感纹波分别为 驻IL1和驻IL2袁由前面的分析可知袁驻IL1和 驻IL2分别为驻IL1=渊1-Di冤DiVinL1f驻IL2=渊DiVi-Vob冤DiL2f扇墒设设缮设设渊20冤求解式渊20冤即可得电感的取值范围为6第 4 期图 9CCM鄄CCM 实验波形Fig.9 Experimental waveforms in CCM鄄CCM mode渊b冤输出电压ViVC1VoaVobt渊25 滋s/格冤12 V5 V渊a冤电感电流ViVC1iL1iL2t渊25 滋s/格冤表 2变换器参数Tab.2 Parameters of converter表 1两种 Buck 变换器的性能对比Tab.1 Comparison of performance between twoBuck converters参数单电感双输出Buck 变换器本文变换器CCM 电压增益支路 aDi渊1-Db冤Ra渊1-Db冤2Ra+D2bRbD2i渊1-Db冤Ra渊1-Db冤2Ra+D2bRb支路 bDiDbRb渊1-Db冤2Ra+D2bRbD2iDbRb渊1-Db冤2Ra+D2bRbDCM 电压增益支路 aDiDRaD2Ra+D2bRbD2iDL2Ra渊Db+DL1冤渊D2L2Ra+D2bRb冤支路 bDiDbRaD2Ra+D2bRbD2iDbRb渊Db+DL1冤渊D2L2Ra+D2bRb冤工作模式种数24纹波电压种数22L1逸渊1-Di冤DiVinf驻IL1L2逸渊DiVi-Vob冤Dif驻IL2扇墒设设缮设设渊21冤4.2 电容设计电容的设计以变换器允许的纹波电压作为约束袁根据式渊10冤可知袁若变换器两支路允许的纹波电压分别为 驻Voa和 驻Vob袁则电容的取值范围为Ca逸VoaDbRaf驻VoaCb逸Vob渊1-Db冤Rbf驻Vob扇墒设设缮设设渊22冤5性能对比将单电感双输出 Buck 变换器与本文提出的高降压比 Buck 变换器进行性能对比袁 相关参数如表1 所示遥 分析表 1 可知袁本文的高降压比 Buck 变换器的电压增益是单电感双输出 Buck 变换器的 Di倍袁提高了变换器的降压传输比袁能够拓宽变换器的输入电压范围袁利于实现变换器的宽输入遥6实验分析为了验证理论分析的正确性袁进行了实验分析袁实验平台如图 8 所示袁变换器参数如表 2 所示遥根据式渊7冤和式渊8冤可得临界电感分别为 L1C=1.2 mH袁L2C=139 滋H遥 因此袁当电感取 L1=1.5 mH尧L2=500 滋H 时袁变换器工作于 CCM鄄CCM曰当电感取 L1=400 滋H尧L2=80 滋H 时袁变换器工作于 DCM鄄DCM袁以这两种工作模式为例进行实验袁实验波形如图 9图 10 所示遥皇金锋袁等院一种高降压比双输出 Buck 变换器的分析与设计图 8实验平台Fig.8 Experimental platform电子负载输入电源示波器DC/DC 变换器参数数值输入电压 Vi/V50开关频率 f/kHz20支路 a 输出电压 Voa/V5支路 b 输出电压 Vob/V12负载电阻 Ra尧Rb/赘20滤波电容 Ca尧Cb/滋F100电感 L1尧L2/滋H根据工作模式待定7电源学报第 21 卷图 13本文变换器效率曲线Fig.13 Efficiency curve of the proposed converter图 12DCM鄄DCM 输出纹波电压实验波形Fig.12 Experimental waveforms of ORV in DCM鄄DCM mode图 10DCM鄄DCM 实验波形Fig.10 Experimental waveforms in DCM鄄DCM mode图 9 给出了变换器工作于 CCM鄄CCM 的工作波形袁其中图 9渊a冤为电感电流波形袁图 9渊b冤为输出电压波形遥图 10 给出了变换器工作于 DCM鄄DCM 的工作波形袁其中图 10渊a冤为电感电流波形袁图 10渊b冤为输出电压波形遥 分析图 9渊b冤和图 10渊b冤可知袁变换器支路 a 和支路 b 分别实现了约 10 倍和 4 倍电压转换袁实现了高降压比变换遥选取不同电感对不同工作模式的输出纹波电压进行了实验袁 实验测试结果如表 3 所示遥 CCM鄄CCM 和 DCM鄄DCM 的输出纹波电压如图 11 和图12 所示遥分析表 3 实验结果可知院变换器的输出纹波电压只与后级电感有关袁并且当变换器后级电感工作于 CCM 时袁 变换器两条支路的输出纹波电压与电感无关曰当变换器工作于 DCM 时袁支路 a 的输出纹波电压随着后级电感的增大而增大袁支路 b 的输出纹波电压随着后级电感的增大而减小遥实验数据表明袁理论值与实验值十分接近袁验证了纹波电压分析的正确性遥图 13 给出了变换器的效率曲线袁 其中电感的寄生电阻 RL1为 110 m赘尧RL2为 150 m赘袁电容的寄生电阻 RCa为 210 m赘尧RCb为 200 m赘袁通过查阅芯片手册可以得到二极管的导通压降为 0.4 V 和开关管的导通电阻为 23 m赘遥实验中保持支路 a 输出电压为 5 V尧支路 b 输出电压为 12 V袁通过改变负载大小得到效率曲线遥渊a冤电感电流渊b冤输出电压ViVC1VoaVobt渊25 滋s/格冤12 V5 VViVC1iL1iL2t渊25 滋s/格冤DCM图 11CCM鄄CCM 输出纹波电压实验波形Fig.11 Experimental waveforms of ORV in CCM鄄CCM mode表 3变换器的输出纹波电压Tab.3 ORV of converteriL1iL2t渊25 滋s/格冤驻Voa驻VobiL1iL2t渊25 滋s/格冤驻Voa驻VobDCM工作模式驻Voa/mV驻Vob/mV理论值 实验值 理论值 实验值1.50.5CCM鄄CCM8896901011.90.1CCM鄄DCM881011471580.50.5DCM鄄CCM80100901050.40.08DCM鄄DCM8098174196L1/mHL2/mH93.593.092.592.091.591.090.590.09080706050403020100R渊Ra=Rb冤/赘8第 4 期皇金锋袁等院一种高降压比双输出 Buck 变换器的分析与设计分析图 13 可得袁 随着负载 R 的增大会导致开关损耗和导通损耗的增加袁造成变换器的效率逐步降低遥 当负载 R 取值为 10耀20 赘 时袁变换器工作在CCM鄄CCM袁此时变换器效率较高遥 为解决元器件损耗影响变换器工作效率的问题袁通过第 2.4 节的电压应力分析可知袁多数器件的电压应力较小袁通过选择寄生参数小的器件来减少系统损耗遥7结论本文提出一种高降压比双输出 Buck 变换器袁并对其工作原理进行了深入分析袁得到如下结论遥渊1冤根据前级和后级电感电流与零的关系袁可将变换器的工作模式分为 4 种袁 即 CCM鄄CCM尧DCM鄄CCM尧CCM鄄DCM 和 DCM鄄DCM袁 并得到了各工作模式的临界电感遥渊2冤当变换器工作于 CCM 时袁本支路的电压增益随着另一支路负载阻值的增大而减小袁此时电压增益与电感无关遥当变换器工作于 DCM 时袁电压增益不仅表现为随着另一支路负载阻值的增大而减小袁 并且支路 a 的增益随着前级电感的增大而减小袁随着后级电感的增大而增大曰支路 b 的增益随着前级和后级电感的增大而减小遥渊3冤变换器的输出纹波电压只与后级电感有关袁并且当变换器后级电感工作于 CCM 时袁 变换器两条支路的输出纹波电压与电感无关曰当变换器工作于 DCM 时袁 支路 a 的输出纹波电压随着后级电感的增大而增大袁支路 b 的输出纹波电压随着后级电感的增大而减小遥渊4冤以电感纹波电流和电容纹波电压为约束袁得到了最小电感和最小电容取值范围袁 能够为高降压比双输出 Buck 变换器的参数设计提供理论指导遥参考文献院1 周群,何莹莹,许建平,等.伪连续导电模式单电感双输出反激变换器J.电力自动化设备,2015,35渊1冤:65鄄70.Zhou Qun,He Yingying,Xu Jianping,et al.Single鄄induc鄄tor dual鄄output flyback converter of pseudo continuousconduction mode J.Electric Power Automation Equipment,2015,35渊1冤:65鄄70 渊in Chinese冤.2 Jabbari M,Dorcheh M S.Resonant multi鄄input/multi鄄out鄄put/bidirectional ZCS step鄄down DC鄄DC converter withsystematic synthesis for point鄄to鄄point power routing J.IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33渊7冤:6024鄄6032.3 罗全明,黄健,马坤,等.一种直流电流母线型多路恒流输出 LED 驱动电源J.中国电机工程学报,2016,36渊22冤:6202鄄6209.Luo Quanming,Huang Jian,Ma Kun,et al.A direct cur鄄rent bus type LED driver with multiple constant currentoutputs J.Proceedings of the CSEE,2016,36渊22冤:6202鄄6209 渊in 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