羅氏諧振器—一種用于DC/DC變換器的PWM信號發(fā)生器

摘要：羅氏諧振器是一種脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)信號發(fā)生器，它可以產(chǎn)生PWM脈沖列來控制DC/DC變換器，如羅氏復(fù)舉電路變換器[1]。這種諧振器僅由三個運(yùn)算放大器（OA）組成，能產(chǎn)生開關(guān)信號脈沖列來控制靜態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，其頻率f和導(dǎo)通占空比k可調(diào)。羅氏諧振器可被再次集成到便攜式DC/DC升壓型變換器系列特定用途的集成電路（ASIC）中。

關(guān)鍵詞：DC/DC變換器諧振諧振器運(yùn)算放大器特定用途集成電路ASIC

Luo－ Resonator— A PWM Signal Generator Used for DC/DC Converter

Abstract:Luo－ Resonator is a pulse－ width－ modulated(PWM)switching signal generator which produces the PWM pulse train used for DC/DC converters,e.g. the re－ lift circuit[1].This resonator consists of only three operational amplifiers(OA),and provides a pules train of the switching signal to control static switch on or off with adjustable frequency f and conduction duty k.Luo－ Resonator can be re－ integrated into an application specific integrated circuit (ASIC)to portable DC/DC step－ up(boost)converters.

Keywords:DC/DC converter Resonance Resonator Operational amplifier ASIC

1引言

　　DC/DC升壓型變換器系列廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬件和工業(yè)應(yīng)用上[1,2,3]，如：計(jì)算機(jī)的外圍電源、汽車輔助電源、伺服電機(jī)的驅(qū)動電源和醫(yī)療設(shè)備。近年來，DC/DC變換器技術(shù)發(fā)展得很快，例如，羅氏變換器系列和Cuk變換器已被開發(fā)出來[1,4,5,6]。DC/DC變換器的靜態(tài)開關(guān)S可以是雙極性功率晶體管、MOSFET或IGBT，需要用頻率f和導(dǎo)通占空比k可調(diào)的PWM脈沖列來驅(qū)動。通常這一PWM脈沖列是由一個數(shù)字信號處理器（DSP）產(chǎn)生。本文介紹一種羅氏諧振器，如圖1所示。它可以取代DSP產(chǎn)生PWM脈沖列來驅(qū)動靜態(tài)開關(guān)S。羅氏諧振器能被再次集成到降壓型和升壓型便攜式DC/DC變換器系列的特定用途集成電路（ASIC）中。

　　羅氏諧振器具有高效簡單的電路結(jié)構(gòu)，改變脈沖頻率f和導(dǎo)通占空比k很容易。它由三個運(yùn)算放大器（OA）及輔助元件組成。這三個運(yùn)放分別命名為OA1、OA2和OA3，型號均為μA741，集成在一片TL074芯片中（含四個運(yùn)放）。兩只電位器分別用來調(diào)整脈沖的頻率f和導(dǎo)通占空比k。

　　在對羅氏諧振器進(jìn)行分析之前，首先假設(shè)運(yùn)放是理想的，則滿足：

　?。?）開環(huán)電壓增益為無窮大；

　?。?）輸入電阻為無窮大，輸出電阻為0；

　?。?）輸出電壓正負(fù)最大值等于電源電壓值。

2電路描述

　　μA741型運(yùn)放OA可工作在電源電壓為±（3～18）V之間，電源端和接地端分別記作V＋、V－和G，其中2=V＋。圖1中OA2為一積分器，它的輸出電壓VC是一三角波，其頻率f=1/T可由電位器R4調(diào)節(jié)。OA1為一諧振器，它的輸出電壓VB是一頻率為f的矩形波。OA3用做比較器，它的輸出電壓VD是一矩形脈沖，其導(dǎo)通占空比k可由電位器R7調(diào)節(jié)。

　　首先，假設(shè)當(dāng)t=0時VB=V＋，通過電阻R2正

圖1羅氏諧振器

反饋給OA1。這使得OA1的輸出電壓保持VB=V＋。同時，VB通過R4輸入OA2，因此OA2的輸出電壓VC按斜率1/（R4C）減少至mV－。電壓VC通過R3負(fù)反饋給OA1。（通常令R3略小于R2，其比率定義為m=R3/R2）。A點(diǎn)的電壓VA在時間段2mR4C由[2mV＋/(1＋m)]變至0。因此，電壓VA向負(fù)值減少，導(dǎo)致在t=2mR4C時，OA1的輸出電壓VB=V－，電壓VA跳至[2mV－/(1＋m）]。同理，當(dāng)t=2mR4C時，VB=V－，并通過電阻R2正反饋給OA1。這使得OA1的輸出電壓保持VB=V－。同時，VB通過R4輸入OA2，因此OA2的輸出電壓VC按斜率1/R4C增加至mV＋。電壓VC通過R3負(fù)反饋給OA1。A點(diǎn)的電壓VA在時間段2mR4C內(nèi)由[2mV－/(1＋m)]變至0。因此，電壓VA向正值增加，導(dǎo)致在t=4mR4C時，OA1的輸出電壓VB=V＋，電壓VA跳至[2mV＋/(1＋m)]。

　　VC輸入0A3，并通過R6和偏移信號Voff－set進(jìn)行比較，偏移信號可由電位器R7進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)Voff－set=0，OA3的輸出電壓VD是一系列導(dǎo)通占空比k=0.5的脈沖。當(dāng)Voff－set為正值時，與電壓VC的交點(diǎn)上移，因此OA3的輸出電壓VD是一系列導(dǎo)通占空比k<0.5的 脈 沖 。 同 理 ， 當(dāng) Voff－ set為 負(fù) 值 時 ， 與 電 壓 VC的 交 點(diǎn) 下 移 ， 因 此 OA3的 輸 出 電 壓 VD是 一 系 列 導(dǎo) 通 k>0.5的脈沖，如圖2所示。導(dǎo)通占空比k由Voff－set通過電位器R7控制。

　　PWM脈沖列VD通過一耦合電路提供給DC/DC變換器的開關(guān)，如功率晶體管、MOSFET或IGBT。電壓VA、VB、VC和VD的波形如圖2所示。

　　設(shè)計(jì)實(shí)例：羅氏諧振器的內(nèi)部電路如圖1所示，其元件參數(shù)為：R0=10kΩ；R1=R2=R5=100kΩ;R3=R6=95kΩ;R4=510Ω～5.1kΩ;R7=10kΩ;C=5.1nF。因此有：m=0.95頻率f=100kHz～10kHz，導(dǎo)通占空比k=0～1.0。

3討論

　　芯片TL074中的μA741型運(yùn)算放大器頻帶寬約為2MHz，當(dāng)羅氏諧振器工作在f=100kHz時，它的開環(huán)增益僅為20。VC的波形可能會發(fā)生輕微的變形，象一指數(shù)函數(shù)曲線，但是，所輸出的脈沖列的頻率f和導(dǎo)通占空比k仍然可調(diào)。雖然所有運(yùn)放OA的實(shí)際正負(fù)輸出電壓最大值要比電源電壓低，羅氏諧振器仍能很好的工作。當(dāng)電源電壓從±5V變至±18V時，頻率f和導(dǎo)能占空比k的改變小于2％。

圖2羅氏諧振器的電壓波形

4結(jié)論

　　羅氏諧振器已被開發(fā)出來，這是一種用于控制DC/DC升壓型變換器的新型諧振器。它能產(chǎn)生高品質(zhì)的PWM脈沖列來導(dǎo)通或關(guān)斷靜態(tài)開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)DC/DC升壓變換。它對于源電壓的變化具有很強(qiáng)的容錯能力，因此可以廣泛地應(yīng)用于各種DC/DC變換器中。它也可以被再次集成到便攜式DC/DC變換器系列的ASIC芯片中。

參考文獻(xiàn)

　　因較多，從略，必要時請與編輯部聯(lián)系