Buck系列的初衷

醞釀一個關于Buck的系列。這個專題并不會夸夸其談電力電子圣殿Virginia Tech的CPES，數十年來靠研究Buck培養了多少博士生，而是將從個人淺薄的認知出發，解讀Buck不為人知的那些事。

無論是否電力電子專業科班出身，大家的電源學習一定起源自Buck，就像初戀。雖然經常有人說Buck很簡單，但筆者個人始終對它保持敬畏---搞清楚Buck，就搞清楚了功率變換的半壁江山。

PWM調制概覽

一般情況下，不同的DC-DC拓撲有如下PWM調制策略：

增益受占空比(或等效占空比，如隔離DC-DC的PWM移相)控制，如經典的基本PWM變換器Buck,Boost,Buck-Boost及其衍生的各種隔離PWM拓撲，往往采用固定頻率而改變占空比的控制，即PWM調制;

增益受頻率控制，如經典的串聯/并聯/LLC諧振變換器，往往采用固定占空比而改變頻率的控制，即PFM調制;

更高級的，增益同時受占空比和頻率控制，如移相型LLC，諧振型DAB雙有源橋等，可稱為PWM/PFM混合調制。同時改變占空比和頻率的控制方式十分多樣，基于波形比較產生觸發信號，從而無差別對待各類拓撲的滯環Bang-Bang控制，僅從調制效果上看也屬這類。

綜上，從宏觀上看，功率變換器存在三種調制策略：PWM，PFM，PWM/PFM混合調制。但要注意，這是僅從PWM波形調制的最終效果上來看進行的分類，并不意味著某種拓撲就必然對應某種調制方式。

將不同調制方式和不同拓撲的控制進行混搭，有時可取得意想不到的優勢。

Buck基于變占空比的PWM調制

本文僅討論Buck變換器，在穩態下，實現定頻變占空比PWM調制的情況。

穩態下的PWM，電感電流，和輸出電容(包含ESR和ESL)各部分電壓的細節波形如下。

通過觀察得到兩個結論：

PWM從低變高恰對應電感電流iL上升時刻，從高變低恰對應電感電流iL下降時刻，為了實現快速而直接的控制，PWM調制器可借助iL峰谷值和閾值進行比較，從而決定開或者關的時刻。

當輸出電容的ESR分量占紋波主導地位時，輸出電容電壓的波形和電感電流iL的波形，在峰谷值和相位上均十分接近，可用輸出電壓的波動信息(電壓紋波)代替電感電流的波動信息(電流紋波)進行控制。

在最傳統的平均模式PWM控制中，無論是單環的電壓模式(Voltage Mode,VM)控制，還是雙環的平均電流模式(Average Current Mode,ACM)控制，PWM調制器利用平均電壓或者電流的信息，經過環路補償器，均得到基于平均值的控制信號，再去和固定頻率的載波(記為ramp)比較，生成PWM波。

根據載波的形狀，分為前沿，后沿和雙沿調制。這三種調制對平均值的控制信號來說是等效的，其低頻的小信號模型也完全一致。

但是，其高頻行為是不同的，高頻小信號的差異，可能引起不同的高頻行為和高頻穩定性問題，本文中不予深入探討。在模擬控制中，因為前沿調制的實現邏輯較為簡單直觀，后文將以前沿調制的載波為例進行歸納總結。

上文也提到，由于電感電流iL的峰谷值點總是對應了PWM波ON和OFF的時刻，PWM調制器可以借助iL峰谷值和閾值進行比較，從而決定開或者關的時刻。在一個開關周期內，當開或者關時刻點的其中之一被約束，那么為了實現定頻PWM控制，另一個時刻點就要用固定頻率的CLK或者定時器來穩定觸發。

經典的雙環的峰值電流(Peak Current Mode,PCM)控制就是這樣實現的。它總是在電感電流iL的峰值達到閾值后關斷，而利用定頻CLK固定周期地開啟一個新的開關周期。

類似地，拓展這種思路，我們可以窮舉所有基于紋波峰谷值比較的，PWM調制方法：

電流峰值點控制

電流谷值點控制

電流的峰谷值點同時控制(即滯環Bang-Bang控制)

當輸出電容的ESR主導紋波時，電流紋波對應的峰谷值，可以用電壓紋波的峰谷值代替，從而把電流模式控制變為電壓模式控制

除了滯環控制無法約束為固定的開關周期，基于紋波峰值或者谷值的調制方式，只要另一側的ON/OFF采取定頻CLK或者計時器決定固定(非絕對固定，可根據外部參數自適應變化)的ON/OFF的時間，PWM調制器就可以完成定頻變占空比的控制。

Buck轉換芯片常用的恒定導通時間(Constant On-time,COT)控制，和Boost轉換芯片常用的恒定關斷時間(Fixed/Consant Off-time,FOT或CFT)控制便是采取了這樣的思路。

這個“恒定”同樣并非絕對的恒定，可根據外部參數自適應變化，從而實現穩態固定開關頻率運行。這類穩態定頻，暫態變頻的PWM調制方式，也稱為“偽定頻”，嚴格意義上說仍然表現出被PFM混合的特性。

Buck的PWM調制與控制總結

定頻載波和定頻的電感電流均為三角波，形狀類似。如果把平均值控制中，定頻的載波也看做等同電感電流的紋波，統一記作Ramp，從而歸納如下針對Buck的PWM調制方式和對應控制方法。

基于固定頻率CLK的“真”定頻

從左到右依次為：

電壓模式(Voltage Mode,VM)控制，

平均電流模式(Average Current Mode,ACM)控制

峰值電流模式(Peak Current Mode,PCM)控制

谷值電流模式(Valley Current Mode,VCM)控制

基于自適應計時器的“偽”定頻

從左到右依次為：

恒定導通時間(Constant On-time,COT)電壓谷值模式控制

恒定導通時間(Constant On-time,COT)電流谷值模式控制

恒定關斷時間(Consant Off-time,FOT)電壓峰值模式控制

恒定關斷時間(Constant On-time,FOT)電流峰值模式控制

完全基于比較的變頻

有如下形式：

電壓模式滯環Bang-Bang控制

電流模式滯環Bang-Bang控制

總結常見PWM調制所對應的控制方法如下