ESR 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作

ESR 遲滯控制直流轉換器中低負載電路設計V_i為 5V，V_ref 為 1.6V，

R

_load為

50

^{，輸出電容}

C

^out為電解電容，電容值為

100 F 

，輸出電容串連等效電阻

R

_esr 為

150m

^及

75m

^電感值為

10 H 

，將數值接入電路實作，並加入 I_o 300mA 的負載變化，量測各點波形。

(a) (b)

(b)

圖 4.5 ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為

150m 

^{各點波形圖} (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

46

(a) (b)

(c)

圖 4.6 ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為

150m 

^{各點負載變化波形圖} (a) V_o波形(b) I_L波形(c)PWM 波形

47

圖 4.7 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為

150m 

(a) (b)

(c)

圖 4.8 ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為75m各點波形圖

48

(a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

(a) (b)

(c)

圖 4.9 ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為75m各點負載變化波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

49

圖 4.10 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為75m

ESR 遲滯控制直流轉換器在中低負載時，R_esr為75m及150m，如圖 4.7 及 圖 4.10，當R_esr大時，輸出電壓變動量很大，電路暫態響應佳，當R_esr小時，輸出 電壓變動量小，電路暫態響應較慢。

4.2

R Cf f

遲滯控制電路實作

本節實驗為R C_{f f} 遲滯控制器之實作，因為電路實作時，輸出電容串聯等效 電阻R_esr不為零，所以需代入式(3.31)

10 150 ~ 75

ESR

L H

R  m m

 ^  ^{ }

經上述計算後， 設計為_10，本節實驗如 ESR 遲滯控制實作一樣分為兩個部分，

1. R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器於輕載電路實作，2.為R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器 於中低負載電路實作，圖 4.11 為R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器電路，輕載與中低負 載數值設計與 ESR 遲滯控制電路相同，但加入 R C_{f f} 遲滯控制來改善電路波型。

50

51

(a) (b)

(c)

圖 4.12 R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為400m各點波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

(a) (b)

52

(c)

圖 4.13 R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為400m各點負載變化波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

圖 4.14 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為400m

R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器在輕負載時，電路處於非連續狀態，如圖 4.12，

當負載變化時，電路變為連續狀態，因輸出電容過小，輸出電壓變動量很大，但 因電路加入R C_{f f} 遲滯控制，輸出電壓變動量比 ESR 遲滯控制來的小，如圖 4.13。

由圖 4.14 可知，因輕載時，輸出電容小，則R_esr大，所以輸出電壓暫態響應 會較好，但輸出電壓變動量會較大。

53

4.2.2

R C_{f f}

遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作

R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器中低負載電路，R C_{f f}設計為10，V_i為 5V，V_ref 為

1.6V，

R

_load為50，輸出電容

C

_out為電解電容，電容值為

100 F 

^{，輸出電容串}

連等效電阻

R

_esr為150m及75m電感值為 10 H ，將數值接入電路實作，並加入

o 300

I  mA的負載變化，量測各點波形。

(a) (b)

(c)

圖 4.15 R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為

150m 

^{各點波形圖} (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

54

(a) (b)

(c)

圖 4.16 R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為

150m 

^{各點負載變化波形圖} (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

55

圖 4.17 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為

150m 

(a) (b)

(c)

圖 4.18 R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為75m各點波形圖

56

(a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

(a) (b)

(c)

圖 4.19 R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為75m各點負載變化波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

57

圖 4.20 負載變化 V_o與負載電流波形R_esr為 75m

R C_{f f} 遲滯控制直流轉換器在中低負載時，R_esr為75m及150m，如圖 4.17 及圖 4.20，當R C_{f f} 大時，輸出電壓變動量很大，電路暫態響應佳，當R C_{f f} 小時，

輸出電壓變動量小，電路暫態響應較慢。

4.3

R Cf f

+ESR 遲滯控制實作電路

本節實驗為R C_{f f} +ESR 遲滯控制器之實作，R C_{f f} +ESR 電路控制時，需判斷 電路由R C_{f f} 遲滯控制，還是由 ESR 遲滯控制，將式(3.36)轉化為 ¹

f f

R C 與^RESR L 之 比例，將_c設計為_20及_50，而

R

_{sre 設計為 400m與150m及 75m}，這樣 ¹

f f

R C 與^RESR

L 比例就會有六種，分別為(5:4)、(1:2)、(10:3)、(4:3)、(20:3)、(8:3)，

將這些數據加入圖 4.21 輕載與中低負載。

58

59

(c)

圖 4.22 R C_{f f} +ESR 遲滯控制

R

_esr為400m R C_{f f}為20各點波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

(a) (b)

60

(c)

圖 4.23R C_{f f} +ESR 遲滯控制

R

_esr為400m R C_{f f}為20各點負載變化波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

圖 4.24 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為400m R C_{f f}為20

61

(a) (b)

(c)

圖 4.25 R C_{f f} +ESR 遲滯控制

R

_esr為400m R C_{f f}為50各點波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

(a) (b)

62

(c)

圖 4.26 R C_{f f} +ESR 遲滯控制

R

_esr為400m R C_{f f}為50各點波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

圖 4.27 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為400m R C_{f f}為50

f f

R C +ESR 遲滯控制直流轉換器在輕負載時，R_esr為400m，R C_{f f} 為20及50， 如圖 4.24 及圖 4.27，當R C_{f f} 比值比R_esr比值大時，輸出電壓變動量很大，電路暫 態響應佳，當R C_{f f} 比值比R_esr比值小時，輸出電壓變動量小，電路暫態響應較慢。

63

4.3.2

^{R C}_{f f}

+ESR 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作

R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器中低負載電路，R C_{f f} 設計為

10 

^，Vi為 5V，

Vref為 1.6V，R_load為50，輸出電容C_out為電解電容，電容值為_{100 F} ，輸出電 容串連等效電阻

R

_esr為150m及75m電感值為 10 H



，將數值接入電路實作，

並加入 I_o 300mA的負載變化，量測各點波形。

(a) (b)

(c)

圖 4.28 R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為

150m

^{各點波形圖} (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

64

(a)負載變化 V_o波形 (b) 負載變化 I_L波形

(c)

圖 4.29 R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為

150m 

^{各點負載變化波形圖} (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

65

圖 4.30 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為

150m 

(a) (b)

(c)

圖 4.31 R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為75m各點波形圖

66

(a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

(a) (b)

(c)

圖 4.32 R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為75m各點負載變化波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

67

圖 4.33 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為75m

(a) (b)

(c)

圖 4.34 R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為150m各點波形圖

68

(a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

(a)負載變化 V_o波形 (b) 負載變化 I_L波形

(c)負載變化 PWM波形

圖 4.35 R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為150m各點波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

69

圖 4.36 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為150m

(a) (b)

(c)

圖 4.37 R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為150m各點波形圖

70

(a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

(a) (b)

(c)

圖 4.38 R C_{f f}+ESR 遲滯控制直流轉換器

R

_esr為150m各點波形圖 (a) V_o波形(b) I_L波形(c) PWM波形

71

圖 4.39 負載變化 V_o與負載電流波形

R

_esr為150m

R C^{f f} +ESR 遲滯控制直流轉換器在輕負載時，R_esr為150m及75m，R C_{f f} 為 20及50，如圖 4.30、圖 4.33、圖 4.36 河圖 4.39，當R C_{f f} 比值比R_esr比值大時，

輸出電壓變動量很大，電路暫態響應佳，當R C_{f f} 比值比R_esr比值小時，輸出電壓 變動量小，電路暫態響應較慢，當R C_{f f} 比值與R_esr比值相同時，電路較會產生變 頻現象，電路產生不穩定現象。

4.4 結論

本章節實驗分為輕負載及中低負載部分，將輕載部分實驗數據如表 4.1 呈現，

於輕載時，R_f C_f與 f_s成反比，而且 ESR 遲滯控制加入R_f C_f後，電路輸出電壓

V

_o 及電感電流 I_L有明顯的下降，加入負載電流後，R_f C_f越大，電路輸出電壓

V

_o 越大，但 f_s變動量很小，R_f C_f越小時，電路輸出電壓

V

_o越小，但 f_s變動量很大。

72

73

第五章 研究結論與未來展望 5.1 研究結論

本文以 ESR 遲滯控制混合R C_{f f} 遲滯控制，形成一個R C_{f f} +ESR 遲滯控制器，

經第三章方程式推導與電路模擬及第四章電路實作分析，證實輕載時，ESR 遲滯 控制器因輸出電容C_out過小，無法穩壓，在負載一變動的情形下，輸出電壓 V_o下 降過多，經R C_{f f} +ESR 遲滯控制器控制，輸出電壓回授由R C_{f f} 遲滯控制回授，所 以具有高補償能力，能提高暫態響應，但R C_{f f} 越大，輸出變動電壓就會越大，訊 雜比就會增加，所以要與 ESR 遲滯控制搭配。

5.2 未來展望

本文將已設計完成此R C_{f f} +ESR 遲滯控制器，未來可改善內容如下：

1. 提升電路效率－電路為單開關控制，所以會產生逆電流，使得電路效 率會下降。

2. 改善電磁干擾(ElectroMagnetic Interference EMI)

－因為遲滯控制不是定頻控制，所以會產生頻率漂移的問題。

3.增加控制對象－R C_{f f}+ESR 遲滯控制現為控制一降壓轉換器電路，希望 未來能朝向其他直流轉換器控制。

74

參考文獻

[1] Analog Devices, ADP1870/ADP1871 datasheet

[2] C.Simpson, “ Linear and Switching Voltage Regulator Fundamentals ” Technical Staff Power Management Applications, National Semiconductor [3] 高弘毅,“採用 DC-DC 轉換器設計實例，深度解析電流模式控制電源,”新電子雜

誌第 230 期 5 月號第 117 頁,6 月 2005

[4] Technical Analysis, “Noteworthy Non-linear Hysteresis Control Method/As a DC/DC Converter Control Method,”Technology Report, Vol.27, No.4, 2009 [5] Laszlo Lipcsei, San Jose, DC to DC converter with improved transient response, United States Patent, Patent No.：US 7,002,817 B2, Date of Patent：

Feb. 21, 2006

[6] M. Castilla, L. Garcia de Vicuna, J.M. Guerrero, J. Matas, J. Miret,“Design of voltage-mode hysteretic controllers for synchronous buck converters supplying microprocessor loads, ” IEE Proceedings Electric Power Applications, Vol. 152, No. 5, pp.1171-1178, Sept. 2005.

[7] T. Nabeshima, T. Sato, S. Yoshida, S. Chiba, K. Onda,“Analysis and Design Considerations of a Buck Converter with a Hysteretic PWM Controller,”

IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, pp.1711-1716, June 2004

[8] B.Sahu and G.A.Rincon-Mora, “ A low Voltage,Dynamic,Noninvertinf Synchronous Buck-Boost Converter for Portable Applications, ” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.19,No.2, March 2004

[9] W.H. Ki, K.M. Lai, C. Zhan,“Charge Balance Analysis and State Transition Analysis of Hysteretic Voltage Mode Switching Converters, ” IEEE Transactions on Circuits and Systems—I, Vol.58, No.5, May 2011

[10] J. Abu-Qahouq, H. Mao, and I. Batarseh, “Multiphase voltage-mode hysteretic controlled dc–dc converter with novel current sharing,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 6, pp. 1397–1407, Nov. 2004

[11] J. Sun, “Characterization and performance comparison of ripple-based control methods for voltage regulator modules,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 21, no. 2, pp. 346–353, Mar. 2006.

[12] 王佛賢，雷斯洛 利普西，黃晟 ，可改善暫態響應的直流/直流轉換器，中華民國 發明專利，公開號：200820563，公開日期：2008/05/01

[13] 利普賽伊 拉茲洛，何內特 索倫，具增强穩定度之直流/直流轉換器及其轉換方法，

中華民國發明專利，公告號：I304672 ，公告日期：2008/12/21

[14] 王克丞，戴良彬 ，用於自調時脈ＰＷＭ降壓轉換器的穩定性強化裝置及方法，中

75

華民國發明專利，公告號：I341649 ，公告日期：2007/08/10

[15] 黃培倫，戴良彬，改善切換式轉換器輕載效能的方法及裝置，中華民國發明專利，

公開號：200849778，公開日期：2008/12/16 [16] G.Villar,E.Alarcon,F.Guinjoan,A.Poveda,

“ Quasi-optimum Efficiency in Output Voltage Hysteretic Control for a Buck Switching Converter with Wide Load Range,” Proceedings of Power Electronics Specialists Conference, pp.2118-2125, June 2005

[17] 黃南川，戴良彬，王弘毅，黃建榮，劉國平，廖于棻，具有負載暫態響應快速反

Berbel,“Simple Low-Cost Hysteretic Controller for

Single-Phase Synchronous Buck Converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.22, NO.4, pp.1232-1241, July 2007

[20] 梁適安，交換式電源供給器之理論與實務設計，第八版，全華科技圖書股份有限 公司，2006。

[21] 趙格汎, 切換式電源轉換器之控制器設計, 逢甲大學資訊電機工程碩士在職專班 碩士論文, Dec.,2008

[22] T. S. Nabeshima, T.; Nishijima, K.; Yoshida, S., "A novel control method of boost and buck-boost converters with a hysteretic PWM controller," Power Electronics and Applications, vol. 11-14, p. 6, 2005

[23] 梁適安，交換式電源供給器之理論與實務設計，第八版，全華科技圖書股份有限 公司，2006。

[24] 江炫樟，電力電子學，第三版，全華科技圖書股份有限公司，2009。

[25] T. Nabeshima, T. Sato, S. Yoshida, S. Chiba and K. Onda, “Analysis and Design Considerations of a Buck Converter with a Hysteretic PWM Controller,” Proceedings of Power Electronics Specialists Conference, pp.1711-1716, 2004.

[26] Conce ci n Huerta, Alou, P Oliver, A arcia, O Cobos, J.A.;

Abou-Alfotouh,A.M., “Nonlinear Control for DC-DC Converters Based on Hysteresis of the Current With a FrequencyLoop to Operate at

Constant Frequency,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume:

58 , Issue: 3, March, 2011

[27] K. Yao, M. Xu, Y. Meng, and F. C. Lee, "Design Considerations for VRM Transient Response Based on the Output Impedance," IEEE Trans. Power Electron., vol. 18, no 6, pp. 1270-1277, Nov. 2003.

[28] M. Castilla, L. G. de Vicuna, J. M. Guerrero, Matas and Miret, “Designing VRM

76

Hysteretic Controllers for O timal Transient Res onse,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol.54, pp.1726 – 1738, 2007.

[29] National Semiconductor, LM3485 datasheet [30] Vishay Siliconix Si3586 datasheet

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