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开关电容PWM DC-DC电压调节模块曹文静;金科;Ming Xu;F C Lee【摘要】介绍了一种开关电容PWM DC-DC电压调节模块,该变换器是开关电容变换器和PWM变换器的结合,具有如下优点：①开关管的零电压开关（Zero-Voltage-Switching,ZVS）;②运用自耦变压器实现同步整流管（Synchronous Rectifier,SR）的自驱动,减小了驱动损耗和体二极管导通损耗;③变压器漏感对效率的影响小,可以使用常规的分立式变压器,从而降低成本;④变换器是单相的,结构简单,应用灵活。
在理论分析的基础上,搭建了一台四相700kHz 1.2V/130AVRM原理样机验证了理论分析的正确性。
%This paper proposes a novel switching capacitor PWM DC-DC voltage regulator module.The converter is a combination of a switching capacitor converter and a PWM converter,and it has the following advantages: ① Zero voltage switching of all the MOSFETs.② Using an auto transformer self-driven method to save the driver loss and the synchronous rectifier(SR) body diode conduction loss.③Its efficiency is not sensitive to leakage inductor,so that the discrete transformer can be used to save the cost.④Single phase option makes it more flexible.A four-phase 700kHz 1.2V/130A output VRM prototype was built to verify the analysis.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2012(027)010【总页数】8页(P182-189)【关键词】开关电容变换器;PWM变换器;自驱动;零电压开关【作者】曹文静;金科;Ming Xu;F C Lee【作者单位】南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室,南京210016;南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室,南京210016;美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心,布莱克斯堡24061;美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心,布莱克斯堡24061【正文语种】中文【中图分类】TM4631 引言随着信息产业的快速发展，高效率高动态特性负载点（Point ofLoad，POL）变换器得到了越来越多的应用。
DC/DC变换器的PWM控制技术DC/DC变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、PDA等）中。
它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。
开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。
开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC变换。
实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。
现在，大多数采用PWM（脉冲宽度调制）技术。
从输入电源提取的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平均能量转换。
PWM 的占空因数（δ）是“on”时间（ton，从电源提取能量的时间）与总开关周期（T）之比。
对于开关稳压器，其稳定的输出电压正比于PWM占空因数，而且控制环路利用“大信号”占空因数做为对电源开关的控制信号。
开关频率和储能元件DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。
磁性元件所耦合的功率是：P（L）=1/2（LI2f）。
随着频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小。
由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。
电容元件所耦合的功率是：P(c)=1/2(CV2f)，所以储能电容器可实现类似的尺寸减小。
元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积和印刷电路板面积。
开关变换器拓扑结构开关变换器的拓扑结构系指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。
很多不同的开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。
变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入线/输出负载特性诸因素选定的。
PWM开关调整器及其应用电路PWM开关调整器是一种电子器件，用于调整电源或信号的占空比，从而改变输出信号的幅度。
它的工作原理是通过周期性地开关，控制信号的高电平部分和低电平部分的时间比例，从而达到调整信号幅度的目的。
PWM开关调整器广泛应用于电源转换器、无线通信、电机控制等领域。
PWM开关调整器主要由比较器、控制逻辑、CR周期延时电路和开关器件组成。
比较器用于比较参考信号与可调参考电压，控制逻辑用于产生控制信号，CR周期延时电路用于产生周期延时信号，而开关器件则根据控制信号对输入信号进行开关调整。
PWM开关调整器的应用电路包括正弦波调制器、脉冲宽度调制器和电源转换器等。
正弦波调制器通过将被调信号与高频三角波进行比较，产生PWM信号，使其幅度随被调信号的幅度而变化，从而实现信号的调制。
脉冲宽度调制器将模拟信号转换为脉冲信号，利用PWM开关调整器调整脉冲宽度，从而改变信号幅度。
电源转换器则通过PWM开关调整器将输入电源转换为输出电源，以实现电压升降或逆变的功能。
PWM开关调整器的优点是高效率、精确控制和稳定性好。
它可以精确地调整电源或信号的幅度，从而满足各种应用的需求。
另外，PWM开关调整器通过快速开关，可以实现高效率的功率转换，减少能量损耗。
此外，PWM开关调整器的输出稳定性好，对负载变化的响应较快。
总之，PWM开关调整器是一种重要的电子器件，可以通过控制信号的占空比来调整信号的幅度。
它在众多领域中具有广泛的应用，如电源转换器、无线通信和电机控制等。
通过利用其高效率、精确控制和稳定性好的优点，可以实现各种应用的需求。
PWM开关调整器在电源转换器领域中的应用是其中最重要和广泛的。
电源转换器是一种将电能从一种形式转换为另一种形式的电子器件，其中PWM开关调整器起到重要的作用。
在直流-直流(DC-DC)电源转换器中，PWM开关调整器用于将输入直流电压转换为所需的输出直流电压。
在PWM开关调整器中，开关频率通常可以达到几十千赫兹甚至几百千赫兹，相比较而言开关速度非常快。
dc-dc变换原理
DC-DC变换器是一种电子设备，用于将直流（DC）电压转换为另一种直流电压。
这种转换器在许多电子设备中都有广泛的应用，例如在电源适配器、电动汽车、太阳能系统和通信设备中都可以看到它们的身影。
DC-DC变换器的工作原理基于电感和电容的原理，通过精确控制开关管的导通和截止来实现输入电压到输出电压的变换。
DC-DC变换器的基本工作原理是利用电感和电容储存和释放能量，从而实现电压的升降。
当输入电压施加到变换器上时，开关管周期性地开关，这导致电感和电容中的能量储存和释放。
通过调整开关管的占空比和频率，可以实现对输出电压的精确控制。
在一个典型的升压型DC-DC变换器中，当开关管导通时，电流会通过电感和负载，从而储存能量。
当开关管截止时，电感中的储能会释放，从而提供给负载。
通过控制开关管的导通和截止时间，可以实现输出电压的精确控制。
相比于线性稳压器，DC-DC变换器具有更高的效率和更小的体积。
这使得它们在需要高效能转换和对电源体积要求严格的场合中
得到广泛应用。
总之，DC-DC变换器是一种非常重要的电子设备，它通过精确控制电感和电容的能量储存和释放，实现了输入电压到输出电压的精确变换。
在现代电子设备中，它们的应用已经变得非常普遍，为我们的生活带来了诸多便利。
DC/DC变换器的PWM控制技术内容:DC/DC变换器广泛应用于便携装置（如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、PDA等）中。
它有两种类型，即线性变换器和开关变换器。
开关变换器因具有效率高、灵活的正负极性和升降压方式的特点，而备受人们的青睐。
开关稳压器利用无源磁性元件和电容电路元件的能量存储特性，从输入电压源获取分离的能量，暂时地把能量以磁场形式存储在电感器中，或以电场形式存储在电容器中，然后将能量转换到负载，实现DC/DC 变换。
实现能量从源到负载的变换需要复杂的控制技术。
现在，大多数采用PWM（脉冲宽度调制）技术。
从输入电源提取的能量随脉宽变化，在一固定周期内保持平均能量转换。
PWM的占空因数（δ）是“on”时间（ton，从电源提取能量的时间）与总开关周期（T）之比。
对于开关稳压器，其稳定的输出电压正比于PWM占空因数，而且控制环路利用“大信号”占空因数做为对电源开关的控制信号。
开关频率和储能元件DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率影响。
磁性元件所耦合的功率是：P （L）=1/2（LI2f）。
随着频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应地减小。
由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。
电容元件所耦合的功率是：P(c)=1/2(CV2f)，所以储能电容器可实现类似的尺寸减小。
元件尺寸的减小对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的，可使得开关电源占用较小的体积和印刷电路板面积。
开关变换器拓扑结构开关变换器的拓扑结构系指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。
很多不同的开关稳压器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电器）。
变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入线/输出负载特性诸因素选定的。
一、DC-DC转换器DC-DC 开关电源是将一种直流电变换成另一种形式直流电的设备。
它的应用范围非常广泛，主要对电压电流实现变化，就是通过改变开关接通时间和工作周期的比例来改变输出电压，再利用电感、电容及二极管的储能和释能作用实现稳压。
DC-DC 转换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输出电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。
DC-DC 变换可分为若干基本类型，由功率开关和储能器件的不同组合亦可获得多种DC-DC 电路结构。
根据输入、输出电压的大小及相位关系，这三种基本类型称为:降压变换(Buck)，升压变换(Boost)和降压-升压变换(Buck-Boost)。
正是多种拓扑结构的存在使DC-DC 转换器具有灵活的正负极性和升、降压方式，这一特性使其明显优于线性稳压器和电荷泵。
Buck 变换Buck 型转换器实现的是降压变换，将输入电压Vin变换成0<Vo<Vin的稳定输出电压Vo，所以又称为降压开关电源。
Boost 变换Boost 转换器的作用是产生一个与输入电压极性相同并在幅度上大于输入电压的直流输出电平，它将输入电压Vin变换成Vin≤V0的稳定输出电压V0，所以又称升压开关电源。
Boost 电路可以在连续电流模式和不连续电流模式两种状态下工作。
连续模式表示电路在每个开关过程中都有连续变化的电感电流;而不连续模式表示电路在整个工作状态中有部分时间电感电流为零，在每个开关过程开始时，电感电流从零逐渐增加，到达一定值又逐渐下降，一直降到电流为零，然后保持零电流到整个开关过程结束，整个过程周而复始。
BOOST 电路的工作模式与电感值的选取和负载的大小息息相关。
由于电路在不同模式下会有不同的频率响应，通常电路被设计只在一种状态下工作。
Buck-boost 变换Buck-boost 转换器既可以实现升压变换，也可以实现降压变换，且同时具有反向变压的特性。
二、PWM比较器1、PWM脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
开关电源PFM 和PWM的对比开关电源的控制技术主要有三种：(1)脉冲宽度调制(PWM)；(2)脉冲频率调制(PFM)；(3)脉冲宽度频率调制(PWM-PFM)．PWM：（pulse width modulation）脉冲宽度调制脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。
这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。
脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。
PFM：（Pulse frequency modulation) 脉冲频率调制一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。
由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FMPWM是频率的宽和窄的变化,PFM是频率的有和无的变化, PWM是利用波脉冲宽度控制输出,PFM是利用脉冲的有无控制输出.其中PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式，现在市场上有多款性能好、价格低的PWM集成芯片，如UCl842／2842／3842、TDAl6846、TL494、SGl525／2525／3525等；PFM具有静态功耗小的优点，但它没有限流的功能也不能工作于连续导电方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；PWM-PFM兼有PWM和PFM的优点。
DC/DC變換器是通過與內部頻率同步開關進行升壓或降壓，通過變化開關次數進行控制，從而得到與設定電壓相同的輸出電壓。
PFM控制時，當輸出電壓達到在設定電壓以上時即會停止開關，在下降到設定電壓前，DC/DC變換器不會進行任何操作。
但如果輸出電壓下降到設定電壓以下，DC/DC變換器會再次開始開關，使輸出電壓達到設定電壓。
PWM控制也是與頻率同步進行開關，但是它會在達到升壓設定值時，儘量減少流入線圈的電流，調整升壓使其與設定電壓保持一致。
开关电容的PWM DC - DC转换及其变化状况摘要：本文提出了一种新型开关电容脉宽调制（PWM）转换器。
该转换器是一个开关电容和PWM转换器组合。
它具有以下优点：1)所有的MOSFET都是零电压开关；2)自耦变压器自驱动的方法，不必调整同步整流器控制时序，因此大量减少了二极管传导损耗；3)对漏电感不敏感，因此可以使用独立的变压器，它同时适用于电压调节模块（VRM）和虚拟咨询台（VRD）；4)单相选择会更加灵活。
在相位控制策略的整个负载范围内，它可以达到更高的效率。
构建一个700千赫l.2-V/35-A油料原型和一个四相700千赫l.2-V/130-A VRM原型是来验证分析。
索引词：负载点（POL）转换器，自驱动脉冲宽度调制解调器（PWM），开关电容转换器，零电压开关电容（ZVS）。
I.引言计算机和电子通讯的新一代设备，它采用了开放式结构，模块化信号和数据的处理方法，因此有必要使用分布式电源系统。
对互联网广告的使用需要配有先进的，高质量的基础设施和可靠的“电网”，从而自然而然采用分布式发电，配电，和调控。
电力处理系统的未来发展，把几乎所有的电力负荷接到有能源来源的电力电子设备。
先进的功率处理系统预计将达到完全可控，完全可重构，自治和可定制的平台，可应用在，诸如电信，计算机，互联网基础设施，汽车应用，航空航天的电力能源供应。
这些先进的系统将被要求提供按需提供能源，并按任何速率和任何需要的形式下载。
为了支持技术的发展趋势，行业在每个电路板的定制，小型化功率负载点（POL）转换器上尝试收集功能更多和更先进的耗电的处理器。
随着迅速增长计算机和电信应用，POL的DC - DC模块是变得越来越小。
对于一些规模DC - DC模块，输出电压低于1V，输出电流要高得多。
高功率密度和高效率是DC - DC模块制造商的主要目标。
高开关频率也增加控制带宽，因为同一瞬态要求，以至于需要更少的输出电容器。
然而，在同步整流（SR）下，传统的多相降压控制器在高频率下有几个严重的问题：高开关损耗，高驱动损耗，高体二极管损耗。
一个自我驱动的零电压开关（ZVS）非隔离式全桥的DC - DC转换器，如图1所示。
它的运作正如两相转换器，并使用交错控制。
与传统的两相降压转换器对比，自驱动非隔离（ZVS）全桥直流直流转换器具有以下优点：1)所有MOSFET的ZVS；2)消除SR驱动器节省成本；3)无需调整SR控制时间，因此，减少体二极管传导损耗；4)显着减少关断损耗和反向恢复体二极管造成的损失延长工作周期；图2显示了两种损失之间的细分比较，两相降压转换器和一个非隔离全桥变换器根据l.2-V/70-A输出和1MHz的开关频率。
可以分析出产生的损失值。
非隔离式全桥转换效率更高。
然而，这种拓扑结构也有一些缺点。
它必须在同一时间操作两相，即使在光负载条件。
相较于传统的降压转换器，其中，运作相数可以减少到1负载两相操作，一直下降到没有负载，导致降低轻载效率。
此外，变压器对漏感操作灵敏度使它一直被使用在VR中，其中需要离散磁场。
此外，复杂的结构总是需要六台设备和两台驱动器，无论功率等级DC-DC转换器。
这反映了它的另一个独特的僵化缺点，尤其是低功耗应用。
为了克服这些问题，本文提出一种新型单相开关PWM变换器和电容及它的变化。
本文分析了它的工作原理，自我驱动的方法及优化设计。
建立单相700kHz1.2-V/35-A输出油料原型和四相700kHz1.2-V/130-A输出VRM的原型来验证理论。
实验结果表明，该拓扑是非常有前途的新型高频率的POL应用。
Ⅱ.对转换器小漏电感分析为了创建一个单相转换器，非隔离全桥转换器可分为两个对称的部分。
推导步骤是：1）改变变压器的极性; 2）在C点添加电容以及3）降低转换器的中点，获得两个单相变流器，使每转换器可以独立运作。
推导过程如图3。
图4显示了新的单相转换器的主电路，关键波形，并进一步简化等效电路。
假定变压器漏感可以忽略不计。
在分析之前，做出如下假设：1）所有开关是理想的; 2）所有电容器和电感器是理想的；3）输出电容C0大到足以被视为作为一个电压源。
该电路的工作原理为如下：1)阶段1[t0，t1] [图4（c）]：Q1和S1打开。
该输出电压V0反映到原边，并在系列与V C，然后平行V in,其作为一个开关电容转换器，具有良好的动态性能。
2)第2阶段[t1，t2] [图4（d）]：关闭Q1和S1，开启Q2。
前者是跨复位，输出电压是受制于Q2的占空比，此时转换器作为一个PWM转换器。
从分析可以看出，新的转换器是由一个开关电容转换器和PWM转换器组合而成的。
该开关PWM变换器的电容器，不仅保留了原来的转换器的优点，而且从开关电容转换器中取得了较好的动态性能优势。
开关电容PWM变换器是一种单相转换器。
新的拓扑结构比非隔离式全桥变换器更灵活。
根据不同的应用，优化阶段可以等同于满足效率和成本。
每一相都是独立的。
为了实现在整个负载范围内的高效率，采用逐步脱落控制策略，从而使转换器能够以最佳效率的工作，根据不同的负载条件。
此外，非线性控制可以被用来在暂态时增加动态性能绩效。
III. 分析转换器中不可忽略漏感在实际电路中，变压器的应用就意味着引入漏电感。
如果漏电感小，其工作原理是提前给予。
如果漏感很大而不能忽视，漏感会与各开关的输出电容产生共鸣，从而使交换机可以实现零电压开关。
本节详细介绍了有漏感的开关电容PWM 转换器的工作原理。
图 5显示了关键的漏电感和主电路波形。
其工作原理如下：1)阶段1[t 0，t 1] [图 6（a ）]：Q 1和S 1导电，V 0与磁化电感L 1成反比，因此，i L 呈线性降低。
变压器漏感L r 与阻隔电容器C b 产生共鸣。
一部分输入能量储存在C b ，而其余的输入能量供给负载。
)(sin )()(cos )()(i 01100010t t Z t V nV V t t t I t r r C in r L L b r r ---+-=ωω (1a))](cos 1)][([)(sin )()()(01001010t t t V nV V t t t I Z t V t v r C o in r Lr r C C b b b ----+-+=ωω (1b)其中，b r r C L 11=ω,br C L r Z =1,n 是初级到次级绕组匝数比，I Lr (t0) 和 V Cb (t0)分别是在t 0点L r 的电流，C b 的电压。
在t 1，Q 1和S 1是关闭的。
该Q 1的关断电流是L r -C b 谐振网络决定的。
对于一个给定的变压器，L r 是固定的。
谐振网络可以很好地通过选择一个合适的C b ，从而Q 1实现零电流关断。
因此，它对L r 的效率不敏感。
这是转换器的一个重要优势。
可以使用流行的离散变压器，以同时适用于VRM 和VRD 。
2)第2阶段[t 1，t 2] [图6（b ）]：在t 1时刻，Q 1和S 1是关闭的。
I s1是通过S 1的体内流二极管D S1的，i L 呈线性关系持续减少。
I Lr .给C Q1充电和C Q2放电，因此()1221121sin )()(cos )()(t t Z t V nV V t t t I t i r r C o in r L L b r r ---+-=ωω (2a)()()]cos 1[)(121t t w nV V t v r o in Q ---= (2b))](cos 1[)(1202t t nV V t v r in Q ---=ω (2c) 其中，）（2121Q Q r r C C L +=ω , ）（211Z Q Q r r C C L += 3)第三阶段[t 2，t 3] [图6（c ）]：在t 2时刻，V Q2下降为零，Q 2可以打开。
D s1持续通电。
对 L r 和C b 谐震，i Lr 大幅降低到零（3a ）（3b ） 4)第四阶段[t 3，t 4] [图6（d ）]：在t 3时刻，i Lr 达到I L (t 3)/(n +1) ,D s1自然关闭。
储 存在C b 和L 1的能量供给负载，并控制输出电压，变压器复位()3333333sin )(V )(cos )()(t t Z V t t t t I t i r r oC r L L b r r --+-=ωω （4a ）)](cos 1)][([)(sin )()()(21021212t t t V nV t t t I Z t V t v r C o r Lr r C C bb b ----+-+=ωω()2212212sin )()(cos )()(t t Z t V nV t t t I t i r r C o r L L b r r ---+-=ωω)](cos 1][)([)(sin )()()(33333333t t V t V t t t I Z t V t v r o C r Lr r C C b b b ---+-+=ωω （4b ）其中，()121L n L L r eq ++=，b eq r C L w 13= ，b eq r C L Z =3 。
5)第5阶段 [t 4，t 5] [图6（e ）]：在t 4时刻，Q 2是关闭的。
I Lr 给C Q2 充电同时，C Q1放电.6)第6阶段[t 5，t 6] [图6（f ）] V Q1在t 5下降到零，Q 1关断下降到ZVS 。
L r 和C b 共鸣，开始下一个开关周期。
根据操作原理分析，如果操作参数被忽略，电压转换率可导出1n D V V in o += (5) 其中D 是Q 2的占空比。
IV.驱动方法A.Q 1和Q 2的驱动方法如前所述，对顶部的开关Q 1和中间开关Q 2的门驱动没有严格的要求。
因此驱动设备的最经济有效的方法是使用驱动变压器。
在低电压应用中，实用的门极门驱动集成电路可以用于精简电路。
Q 1和Q 2作为补充控制。
如图3所示，点B 不能连接到地面，它是可根据切换模式变化的，所以传统的升压陷阱门驱动程序不能直接使用。
图7显示Q 1和Q 2的驱动原理图。
一个门驱动IC 是用来驱动两个场效应管。
B 点被视为驱动IC 的地面上，并不依赖开关模式。
两个升压计划陷阱用来获取电源开关PWM 输入信号和供应能量给驱动IC 。
在C d1和C d2也可以被利用作为栅极驱动器的电压源。
B.S1的驱动方法一个自驱动器的主要好处是，当驱动电路简化时，二极管SR 导通损耗最小化，以及部分驱动能量可循环使用，形成了低成本，高效率的解决方案。
因此，建议使用拓扑结构的自驱动。
从图2损失故障可以看出，SR 驱动损耗是一个大问题。
SR 的驱动损耗可以由下式计算P drive_loss =Q g ⨯V drive ⨯f s (6)其中Q g 与V drive 成正比，f s 是开关频率。
