羅氏諧振器―一種用于DC/DC變換器的PWM信號發生器

摘要：羅氏諧振器是一種脈寬調制（PWM）開關信號發生器，它可以產生PWM脈沖列來控制DC/DC變換器，如羅氏復舉電路變換器[1]。這種諧振器僅由三個運算放大器（OA）組成，能產生開關信號脈沖列來控制靜態開關的導通和關斷，其頻率f和導通占空比k可調。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。

關鍵詞：DC/DC變換器諧振諧振器運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用在計算機硬件和工業應用上[1,2,3]，如：計算機的外圍電源、汽車輔助電源、伺服電機的驅動電源和醫療設備。近年來，DC/DC變換器技術發展得很快，例如，羅氏變換器系列和Cuk變換器已被開發出來[1,4,5,6]。DC/DC變換器的靜態開關S可以是雙極性功率晶體管、MOSFET或IGBT，需要用頻率f和導通占空比k可調的PWM脈沖列來驅動。通常這一PWM脈沖列是由一個數字信號處理器（DSP）產生。本文介紹一種羅氏諧振器，如圖1所示。它可以取代DSP產生PWM脈沖列來驅動靜態開關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構，改變脈沖頻率f和導通占空比k很容易。它由三個運算放大器（OA）及輔助元件組成。這三個運放分別命名為OA1、OA2和OA3，型號均為μA741，集成在一片TL074芯片中（含四個運放）。兩只電位器分別用來調整脈沖的頻率f和導通占空比k。

　　在對羅氏諧振器進行分析之前，首先假設運放是理想的，則滿足：

　　（1）開環電壓增益為無窮大；

　　（2）輸入電阻為無窮大，輸出電阻為0；

　　（3）輸出電壓正負最大值等于電源電壓值。

2電路描述

　　μA741型運放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調節。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，其導通占空比k可由電位器R7調節。

　　首先，假設當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負反饋給OA1。（通常令R3略小于R2，其比率定義為m=R3/R2）。A點的電壓VA在時間段2mR4C由[2mV＋/(1＋m)]變至0。因此，電壓VA向負值減少，導致在t=2mR4C時，OA1的輸出電壓VB=V－，電壓VA跳至[2mV－/(1＋m）]。同理，當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負反饋給OA1。A點的電壓VA在時間段2mR4C內由[2mV－/(1＋m)]變至0。因此，電壓VA向正值增加，導致在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進行比較，偏移信號可由電位器R7進行調節。當Voff－set=0，OA3的輸出電壓VD是一系列導通占空比k=0.5的脈沖。當Voff－set為正值時，與電壓VC的交點上移，因此OA3的輸出電壓VD是一系列導通占空比k0.5的 脈 沖 。 同 理 ， 當 Voff－ set為 負 值 時 ， 與 電 壓 VC的 交 點 下 移 ， 因 此 OA3的 輸 出 電 壓 VD是 一 系 列 導 通 k>0.5的脈沖，如圖2所示。導通占空比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，如功率晶體管、MOSFET或IGBT。電壓VA、VB、VC和VD的波形如圖2所示。

　　設計實例：羅氏諧振器的內部電路如圖1所示，其元件參數為：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，導通占空比k=0～1.0。