开关型DC-DC变换器的跨周期调制 

罗卢杨 罗 萍 季晓宇 李肇基 杨 舰 

(电子科技大学IC设计中心，610054)  

  开关型电源变换器的调制方式主要有：（1）脉冲宽度调制（PWM），其开关频率恒定，通过调节导通脉冲宽度来改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽”；（2）脉冲频率调制（PFM）方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，亦称为“定宽调频”；（3）混合调制方式，它是以上两种制式的复合，脉冲宽度和频率均不固定[2]。目前对PWM方式[2-4]及混合调制方式[5]的研究很多，对于PWM方式，其工作频率固定在恒定频率下，开关损耗几乎与负载无关，导致轻载时电源效率明显降低。跨周期调制方式SCM（Skip Cycle Modulation）通过改变有效工作频率来改变输出功率，其开关损耗与输出功率成正比，采用这种调制方式的开关电源的效率几乎与负载无关。本文就SCM DC-DC变换器的效率与负载关系进行了详细的分析，并讨论了输出电压纹波大小和频谱特性。

2 跨周期调制模式 本文以反激励开关电源来说明SCM DC-DC变换器的工作原理，如图1所示。

图1  反激式DC-DC变换器应用电路

SCM的工作原理为，控制器对输出电压进行检测，如果在一个时钟周期来临时输出电压 低于额定值 ，则这个时钟周期内开关管工作，否则不工作。这样保持输出电压始终稳定在 左右。

功率管导通时，电源对变压器初级电感充电，一次充电能量为

                                (1)

SCM通过控制开关管在一个周期内是否工作来调节输出功率，在达到稳定后，开关管的平均工作频率，即有效频率 由负载决定。如果负载足够大，开关管将在每个周期内均工作，此时有效频率达到最大工作频率 。在一般情况下，开关管只在部分周期内导通，此时有效频率 将小于 。我们定义调制度 ，调制度 越大，被跳过的周期越多，它是0之间的数。由能量守恒，即从电源输送到初级电感的能量等于次级电感输送到负载的能量，即

                          (2)

上式表明，输出功率与调制度成线性关系，调制度越大，输出功率越小。

开关电源的功率损耗包括变压器，驱动电路，开关管，和整流二极管。其中开关管的功率损耗主要在开通和关断期间的动态功率损失^{[2, 9]}，一方面为了减小电容，电感的体积，使开关电源小型化，就需要提高开关频率，而开关管的功率损耗与开关频率成正比，当频率升高，开关损耗也升高，到一定数值后，开关损耗将成为影响开关电源的效率的主要因素。参考[1]对开关过程电流电压变化的线性近似，开关管在关断过程中的损耗为

                                (3)

开关管在开通过程中，由于电感 ，电流不会跳变，损耗主要是寄生电容的放电，以功率MOS管为例，这些寄生电容主要为源漏电容 和栅漏电容 ，即

                            (4)

因此开关管在一次开关过程中的动态损耗为

                （5）

只考虑开关管的动态损耗时，电源效率为

                                (6)

考虑调制度的定义及输出功率与调制度的关系式（4），SCM的效率为

                           (7)

上式表明SCM 变换器的效率与输出功率无关，当负载变化时，效率是一个恒定值。而对于PWM，由（6）式当 固定，效率随输出功率的减小而降低，特别在轻负载时PWM变换器的效率降低十分明显。

SCM方式下，当时钟周期到来时输出电压 略低于 ，则开关管将在该周期内工作，并且输出电压在该周期内会达到最大值。次级对负载电容充电时

(8)

                            (9)

其中 、 分别为额定输出电压和对应的输出功率，根据（8）、（9）式可得输出电压的最大值为

              （10）

如果时钟周期到来时输出电压 略高于 ，则该周期被跳过，并且输出电压在该周期内降至最小值，为

                       (11)

因此SCM转换器输出电压的波动幅度为

           (12)

对于PWM，稳定时次级电感对负载输出的功率等于负载消耗的功率，可计算出输出电压的波动幅度为

                  (13)

它明显低于SCM的波动幅度。

3  模拟分析与讨论

图3  R_L=2.2Ω时输出电压和开关管电流的波形              图4  R_L=5Ω时输出电压和开关管电流的波形
以下是我们用SPICE对跨周期调制方式的开关电源进行模拟得出的波形图。其中 =230V， =6V， =1mH， =3us， =10us。图3-5是不同负载时跨周期调制方式的开关管的工作情况和输出电压波形。模拟结果得出，开关管的有效工作频与输出功率成正比，即 ，其调制度 ，这与前面的理论分析一致。图6 SCM变换器在负载电阻为2.2欧姆时输出电压的频谱图，除谐波成份外，SCM的输出电压还包含低频噪声。在重负载下，跳周期的发生为一低频事件，由此产生了低频噪声。重负载下，在需要跳过的周期不发生跳周期，而是降低导通时间，这样可以改善输出电压的波动及低频噪声。

图5  R_L=20Ω时输出电压和开关管电流的波形            图6  在R_L=2.4Ω时输出电压的频谱特性

4  结  论

SCM制式DC-DC转换器通过改变有效频率来实现对输出功率的调节，调制度与输出功率成线性关系。SCM转换器的效率与负载无关。跨周期方式在轻负载时有效频率变低，可能进入音频范围，此时可降低开关管的导通时间以提高有效频率^[7]。重负载下输出电压包含了大量低频噪声，可以通过降低导通时间代替跳周期来改善。通过以上改进，跨周期调制是一种优秀的调制方式，特别是它在不同负载下都有很高效率这一优点，使得它更有优势。

参考文献：

[1] 邵学飞，李威强，“开关型电源变换器调制方式比较”，《电力电子技术》，1994年第4期，1994. 8. 17-20页。

[2] Michael M. Bech, Frede Blaabjerg, “A methodology for true comparison of analytical and measured frequency domain spectra in random PWM converters”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 14, No. 3, May 1999. pp: 578-586.

[3] Geza Joos, Phoivos D. Ziogas etc, “A model reference adaptive PWM technique”, IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 5. No. 4. October 1990, pp: 485-494.

[4] H. W. Van der Brocck, H. Skudclay, and G. Stanke, "Analysis and realization of a pulse width modulator based on voltage space vectors," IEEE/IAS Conf. Rec., vol. 1, 1986, pp:244-251.

[5] Yoshitaka Iwaji, Shoji Fukuda. "A pulse frequency modulated PWM inverter for induction motor drives", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 7, No. 2, April, 1992.

[6] 单端反激pwm开关稳压电源

[7] Tiny 264/266-268 datasheet.

作者简介：

罗卢杨  电子科技大学微电子所硕士研究生，曾对SIC高压肖特基器件，SOI-LDMOS，开关电源等进行过研究，获过2001年成都科学技年会二等论文。