Buck基于变占空比的PWM调制

Buck系列的初衷

酝酿一个关于Buck的系列。这个专题并不会夸夸其谈电力电子圣殿Virginia Tech的CPES，数十年来靠研究Buck培养了多少博士生，而是将从个人浅薄的认知出发，解读Buck不为人知的那些事。

无论是否电力电子专业科班出身，大家的电源学习一定起源自Buck，就像初恋。虽然经常有人说Buck很简单，但笔者个人始终对它保持敬畏---搞清楚Buck，就搞清楚了功率变换的半壁江山。

PWM调制概览

一般情况下，不同的DC-DC拓扑有如下PWM调制策略：

增益受占空比(或等效占空比，如隔离DC-DC的PWM移相)控制，如经典的基本PWM变换器Buck,Boost,Buck-Boost及其衍生的各种隔离PWM拓扑，往往采用固定频率而改变占空比的控制，即PWM调制;

增益受频率控制，如经典的串联/并联/LLC谐振变换器，往往采用固定占空比而改变频率的控制，即PFM调制;

更高级的，增益同时受占空比和频率控制，如移相型LLC，谐振型DAB双有源桥等，可称为PWM/PFM混合调制。同时改变占空比和频率的控制方式十分多样，基于波形比较产生触发信号，从而无差别对待各类拓扑的滞环Bang-Bang控制，仅从调制效果上看也属这类。

综上，从宏观上看，功率变换器存在三种调制策略：PWM，PFM，PWM/PFM混合调制。但要注意，这是仅从PWM波形调制的最终效果上来看进行的分类，并不意味着某种拓扑就必然对应某种调制方式。

将不同调制方式和不同拓扑的控制进行混搭，有时可取得意想不到的优势。

Buck基于变占空比的PWM调制

本文仅讨论Buck变换器，在稳态下，实现定频变占空比PWM调制的情况。

稳态下的PWM，电感电流，和输出电容(包含ESR和ESL)各部分电压的细节波形如下。

通过观察得到两个结论：

PWM从低变高恰对应电感电流iL上升时刻，从高变低恰对应电感电流iL下降时刻，为了实现快速而直接的控制，PWM调制器可借助iL峰谷值和阈值进行比较，从而决定开或者关的时刻。

当输出电容的ESR分量占纹波主导地位时，输出电容电压的波形和电感电流iL的波形，在峰谷值和相位上均十分接近，可用输出电压的波动信息(电压纹波)代替电感电流的波动信息(电流纹波)进行控制。

在最传统的平均模式PWM控制中，无论是单环的电压模式(Voltage Mode,VM)控制，还是双环的平均电流模式(Average Current Mode,ACM)控制，PWM调制器利用平均电压或者电流的信息，经过环路补偿器，均得到基于平均值的控制信号，再去和固定频率的载波(记为ramp)比较，生成PWM波。

根据载波的形状，分为前沿，后沿和双沿调制。这三种调制对平均值的控制信号来说是等效的，其低频的小信号模型也完全一致。

但是，其高频行为是不同的，高频小信号的差异，可能引起不同的高频行为和高频稳定性问题，本文中不予深入探讨。在模拟控制中，因为前沿调制的实现逻辑较为简单直观，后文将以前沿调制的载波为例进行归纳总结。

上文也提到，由于电感电流iL的峰谷值点总是对应了PWM波ON和OFF的时刻，PWM调制器可以借助iL峰谷值和阈值进行比较，从而决定开或者关的时刻。在一个开关周期内，当开或者关时刻点的其中之一被约束，那么为了实现定频PWM控制，另一个时刻点就要用固定频率的CLK或者定时器来稳定触发。

经典的双环的峰值电流(Peak Current Mode,PCM)控制就是这样实现的。它总是在电感电流iL的峰值达到阈值后关断，而利用定频CLK固定周期地开启一个新的开关周期。

类似地，拓展这种思路，我们可以穷举所有基于纹波峰谷值比较的，PWM调制方法：

电流峰值点控制

电流谷值点控制

电流的峰谷值点同时控制(即滞环Bang-Bang控制)

当输出电容的ESR主导纹波时，电流纹波对应的峰谷值，可以用电压纹波的峰谷值代替，从而把电流模式控制变为电压模式控制

除了滞环控制无法约束为固定的开关周期，基于纹波峰值或者谷值的调制方式，只要另一侧的ON/OFF采取定频CLK或者计时器决定固定(非绝对固定，可根据外部参数自适应变化)的ON/OFF的时间，PWM调制器就可以完成定频变占空比的控制。

Buck转换芯片常用的恒定导通时间(Constant On-time,COT)控制，和Boost转换芯片常用的恒定关断时间(Fixed/Consant Off-time,FOT或CFT)控制便是采取了这样的思路。

这个“恒定”同样并非绝对的恒定，可根据外部参数自适应变化，从而实现稳态固定开关频率运行。这类稳态定频，暂态变频的PWM调制方式，也称为“伪定频”，严格意义上说仍然表现出被PFM混合的特性。

Buck的PWM调制与控制总结

定频载波和定频的电感电流均为三角波，形状类似。如果把平均值控制中，定频的载波也看做等同电感电流的纹波，统一记作Ramp，从而归纳如下针对Buck的PWM调制方式和对应控制方法。

基于固定频率CLK的“真”定频

从左到右依次为：

电压模式(Voltage Mode,VM)控制，

平均电流模式(Average Current Mode,ACM)控制

峰值电流模式(Peak Current Mode,PCM)控制

谷值电流模式(Valley Current Mode,VCM)控制

基于自适应计时器的“伪”定频

从左到右依次为：

恒定导通时间(Constant On-time,COT)电压谷值模式控制

恒定导通时间(Constant On-time,COT)电流谷值模式控制

恒定关断时间(Consant Off-time,FOT)电压峰值模式控制

恒定关断时间(Constant On-time,FOT)电流峰值模式控制

完全基于比较的变频

有如下形式：

电压模式滞环Bang-Bang控制

电流模式滞环Bang-Bang控制

总结常见PWM调制所对应的控制方法如下

电压模式，单环	电流模式，双环
电压滞环控制，变频	电流滞环控制，变频
平均电压模式控制，真定频	平均电流模式控制，真定频
基于纹波的COT控制，伪定频 （ESR主导纹波）	峰值电流模式控制，真定频 谷值电流模式控制，真定频
	COT电流谷值控制，伪定频 FOT电流峰值控制，伪定频