直流轉換器遲滯控制電路之研究

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(1)國立臺灣師範大學工業教育學系碩士論文. 指導教授：呂藝光博士. 直流轉換器遲滯控制電路之研究 Study of Hysteretic Control Circuits for DC to DC Converter. 研究生：黃克勤撰. 中華民國一百一年七月.

(2) 直流轉換器遲滯控制電路之研究. 學生：黃克勤. 指導教授：呂藝光博士. 國立臺灣師範大學工業教育學系碩士班. 摘. 要. 本論文的目的是針對目前可攜式電子產品對高效率，低成本的電源技術之持續增加的需求而探討直流電源轉換技術。傳統的遲滯控制轉換器有簡單、低成本的優點，但其交換頻率會随輸入及輸出條件而改變是它的缺點。本文探討直流轉換器遲滯控制電路對暫態響應及交換頻率穩定性等特性之影響。利用電路分析、模擬與實作來驗證比較遲滯控制電路特性，以得到一電路簡單且具良好的暫態響應之遲滯控制轉換器。. 關鍵字：遲滯控制，直流轉換器，電壓回授控制. i.

(3) Study of Hysteretic Control Circuits for DC to DC Converter. Student: Ke-Chin Huang. Advisors：Dr.Yih-Guang Leu. Department of Industrial Education National Taiwan Normal University. ABSTRACT The purpose of this thesis studies a DC to DC converter technology that meets the increasing demand of a high efficiency and low build cost for. converter architecture. the portable electronics devices. Traditional hysteretic control converter is easy to. implement with low build cost, but the disadvantages come with it is the varying switching frequency with the input and output condition changes. This thesis investigates the characteristics of hysteretic control circuits for the DC to DC converters, including transient response, switching frequency stability, and so forth. By using analysis, simulation, implementation, and comparison, a DC to DC converter with a simple hysteretic control circuit and a good transient response can be obtained.. Keywords: Hysteretic Control, DC to DC Converter, voltage feedback control. ii.

(4) 誌. 謝. 在師大工業教育系研究所的兩年學習當中，由衷地感謝細心指導我的指導教授呂藝光博士，在老師指導與教誨之下使我學習研究歷程順遂，且老師的密集訓練與無私奉獻使筆者不管在生活上或研究上都有莫大幫助，其中學術知識、語言表達與獨立思考之能力都更加進步茁壯，使本論文得以順利完成，謹此致上最誠摯的謝意。還要感謝華夏技術學院的黃棟洲老師與何昇運老師，在碩班期間擔任共同指導，以專業細心指導學生，所以本論文得以順利完成，接著感謝口試委員黎明技術學院電機工程系陳宏良博士、輔仁大學電機系李永勳教授、台電公司綜合研究所曹昭陽博士對論文的指教與建議，使本論文的內容更臻至完善。再者感謝實驗室學長嘉良、皓程、皓勇、正義、政霖、弨廣和同學承洲、志宇、育正以及學弟裕勝、嘉煒、碩甫、拱北和助理穎盈在研究上的指導切磋和精神上的相互鼓勵，使我在研究所的生活多采多姿，讓我每天的生活充滿研究動力與歡樂氣份；並感謝這兩年來所有關心與幫助我的人，祝福你們都能平安快樂。最後，將此論文獻給最敬愛的家人以及親朋好友們，深深感謝您們在學習成長過程中，一路上給予關心體恤、支持鼓勵，無論是物質上還是精神上都可以讓筆者無後顧之憂的努力研究，願與您們分享此份成果及榮耀。. iii.

(5) 目. 錄. 摘要................................................................................................................................. i ABSTRACT ........................................................ ii 目. 錄........................................................... iv. 圖目錄............................................................ v 表目錄............................................................ x 第一章緒論 ................................................................................................................. 1 1.1 前言 .................................................................................................................. 1 1.2 研究方法及目的 .............................................................................................. 2 1.3 論文架構 .......................................................................................................... 3 第二章遲滯控制直流轉換器簡介 .............................................................................. 4 2.1 切換式直流轉換器小訊號分析 ...................................................................... 4 2.2 電壓回授遲滯控制 ........................................................................................ 7 2.3 電壓電流雙回授遲滯控制 ............................................................................ 8 2.4 固定導通時間遲滯控制 ................................................................................ 9 第三章. 遲滯控制直流轉換器設計 ......................................................................... 11. 3.1 ESR 遲滯控制 .............................................................................................. 11 3.1.2 ESR 遲滯控制電路動態方程式推導 .................................................. 12 3.1.3 ESR 遲滯控制電路模擬 ...................................................................... 16 3.2. R f C f 遲滯控制 ............................................................................................. 22. 3.2.1 R f C f 遲滯控制電路動態方程式推導................................................ .23 3.2.2 R f C f 遲滯控制電路模擬.................................................................... .26 3.3. R f C f +ESR 遲滯控制 .................................................................................. 32. 3.3.1 R f C f +ESR 遲滯控制電路動態方程式推導 ...................................... 33 3.3.2 R f C f +ESR 遲滯控制電路模擬 ....................................................... ...34 第四章實驗實作分析 ............................................................................................... 41 4.1 ESR 遲滯控制實作電路 ................................................................................ 41. iv.

(6) 4.1.1 ESR 遲滯控制直流轉換器於輕負載電路實作 .................................. 42 4.1.2 ESR 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作 .............................. 45 4.2 R f C f 遲滯控制實作電路 ............................................................................... 49 4.2.1 R f C f 遲滯控制直流轉換器於輕負載電路實作 ................................ 50 4.2.2 R f C f 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作 ............................ 53 4.3 R f C f +ESR 遲滯控制實作電路........................................................................ 57 4.3.1 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器於輕負載電路實作 ...................... 58 4.3.2 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作 ................. .63 4.4 結論 ................................................................................................................ 71 第五章結論與未來展望 ............................................................................................. 73 5.1. 研究結論 ...................................................................................................... 73. 5.2. 未來展望 ...................................................................................................... 73. 參考文獻....................................................................................................................... 74. v.

(7) 圖目錄圖 1.1 傳統 PID 電壓控制轉換器 ............................................................................1 圖 1.2 雙迴路電流控制轉換器 ................................................................................2 圖 2.1 切換式直流轉換器基本架構圖 ....................................................................4 圖 2.2 切換式直流轉換器導通週期電路圖 ............................................................5 圖 2.3 切換式直流轉換器截止週期電路圖 ............................................................5 圖 2.4 切換式直流轉換器小訊號模組 ....................................................................6 圖 2.5 電壓回授磁滯控制電路 ................................................................................8 圖 2.6 誤差邊帶控制波形圖 ....................................................................................8 圖 2.7 固定截止時間長度 ........................................................................................8 圖 2.8 電壓電流雙回授磁滯控制電路 ....................................................................9 圖 2.9 固定導通時間(CONSTANT ON TIME)遲滯控制電路 ..................................10 圖 2.10 固定時間長度波形.......................................................................................10 圖 3.1 ESR 遲滯控制電路基本架構 ......................................................................11 圖 3.2 擾動輸入電壓簡化電路 ..............................................................................12 圖 3.3 擾動輸入電壓 PWM 之波形 ................................................................... ...12 圖 3.4 擾動輸出電壓簡化電路 ..............................................................................13 圖 3.5 擾動輸出電壓 PWM 之波形 .......................................................................14 圖 3.6 ESR 遲滯控制動態模組 ..............................................................................15 圖 3.7 ESR 遲滯控制各波形模擬圖 Resr  150m .................................................17 圖 3.8 ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 Resr  150m .................................18 圖 3.9 ESR 遲滯控制電路各波形模擬圖 Resr  75m ..........................................19 圖 3.10 ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 Resr  75m ...................................20 圖 3.11 負載變化 Vo 與負載電流模擬波形 Resr  150m .......................................21 圖 3.12 負載變化 Vo 與負載電流模擬波形 Resr  75m .........................................21 圖 3.13 ESR 遲滯控制開迴路的波德圖 ..................................................................21 圖 3.14 R f C f 遲滯控制電路基本架構 .....................................................................22. vi.

(8) 圖 3.15 R f C f 遲滯控制擾動輸入電壓簡化電路 .....................................................23 圖 3.16 R f C f 遲滯控制擾動輸出電壓簡化電路 .....................................................24 圖 3.17 R f C f 遲滯控制動態模組 .............................................................................26 圖 3.18 R f C f 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  100u ................................................27 圖 3.19 R f C f 遲滯控制電路負載變化各波形模擬圖 R f C f  100u ........................28 圖 3.20 R f C f 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  10u ..................................................29 圖 3.21 R f C f 遲滯控制電路負載變化各波形模擬圖 R f C f  10u ..........................30 圖 3.22 負載變化 Vo 與負載電流模擬波形 R f C f  100u .......................................31 圖 3.23 負載變化 Vo 與負載電流模擬波形 R f C f  10u .........................................31 圖 3.24 R f C f 遲滯控制開迴路的波德圖 .................................................................32 圖 3.25 R f C f +ESR 遲滯控制基本架構 ..................................................................32 圖 3.26 R f C f +ESR 遲滯控制動態模組 ..................................................................34 圖 3.27 R f C f +ESR 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  100u ；Resr  150m .............35 圖 3.28 R f C f +ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 R f C f  100u ；Resr  150m . ....................................................................................................................................36 圖 3.29 R f C f +ESR 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  10u ；Resr  150m ...............37 圖 3.30 R f C f +ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 R f C f  10u ；Resr  150m ... ....................................................................................................................................38 圖 3.31 負載變化 Vo 與負載電流波形模擬圖 R f C f  100u ；Resr  150m ..........39 圖 3.32 負載變化 Vo 與負載電流波形模擬圖 R f C f  10u ；Resr  150m .............39 圖 3.33 R f C f 遲滯控制開迴路的波德圖 .................................................................40 圖 4.1. ESR 遲滯控制實際電路圖 ........................................................................42. 圖 4.2. ESR 遲滯控制電路於輕載各點波形圖 Resr  400m ...............................43. 圖 4.3. ESR 遲滯控制電路於輕載負載變化各點波形圖 Resr  400m ...............44. 圖 4.4. 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr  400m .............................................44. 圖 4.5. ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 ..............................45. vii.

(9) 圖 4.6. ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點負載變化波形圖 ..............46. 圖 4.7. 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m ............................................47. 圖 4.8. ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點波形圖 ................................47. 圖 4.9. ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點負載變化波形圖 ................48. 圖 4.10 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 75m ...............................................49 圖 4.11 R f C f 遲滯控制實際電路圖 .........................................................................50 圖 4.12 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 400m 各點波形圖 ..............................51 圖 4.13 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 400m 各點負載變化波形圖 ..............52 圖 4.14 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 400m .............................................52 圖 4.15 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 ...............................53 圖 4.16 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點負載變化波形圖 ...............54 圖 4.17 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m ..............................................55 圖 4.18 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點波形圖 ................................55 圖 4.19 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點負載變化波形圖 ................56 圖 4.20 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 75m ..............................................57 圖 4.21 R f C f +ESR 遲滯控制實際電路圖 ..............................................................58 圖 4.22 R f C f +ESR 遲滯控制 Resr 為 400m R f C f 為 20 各點波形圖 ...................59 圖 4.23 R f C f +ESR 遲滯控制 Resr 為 400m R f C f 為 20 各點負載變化波形圖 ...60 圖 4.24 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 400m R f C f 為 20 ............................60 圖 4.25 R f C f +ESR 遲滯控制 Resr 為 400m R f C f 為 50 各點波形圖 ...................61 圖 4.26 R f C f +ESR 遲滯控制 Resr 為 400m R f C f 為 50 各點波形圖 ...................62 圖 4.27 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 400m R f C f 為 50 ............................62 圖 4.28 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 ....................63 圖 4.29 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點負載變化波形圖 ....64 圖 4.30 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m ..............................................65. viii.

(10) 圖 4.31 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點波形圖......................65 圖 4.32 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點負載變化波形圖......66 圖 4.33 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 75m ...............................................67 圖 4.34 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 ....................67 圖 4.35 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 ....................68 圖 4.36 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m ..............................................69 圖 4.37 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 ....................69 圖 4.38 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 ....................70 圖 4.39 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m .............................................71. ix.

(11) 表目錄表 4.1. 輕負載各波形數據 ...................................................................................72. 表 4.2. 輕中低負載 R esr 為 75m 各波形數據 ...................................................72. x.

(12) 第一章緒論 1.1 前言直流電源轉換器(DC to DC Converter)根據基本技術模式可分為，線性調整 (Linear Regulator)、傳統 PID 電壓控制、雙迴路電流控制、固定導通時間控制 (Constant on-time Control )[1]、遲滯(磁滯)控制(Hysteresis Control)等，除了線性調整方法外，其餘又可概括為切換調整(Switch Regulator)族群，線性調整依調變電路的電阻達到穩定輸出電壓，其方法優點於整體電路比切換調整模式簡易，所以電路在工作時低雜訊、電磁干擾(Electro Magnetic Interference，EMI)少，但是轉換效率是最低且應用範圍最窄[2]。在電源控制模式以傳統 PID 電壓控制發展最久，其方法藉著輸出電壓與參考電壓兩者訊號相減，得到誤差電壓再與鋸齒波做比較，可得到責任週期(Duty Cycle)以達到穩壓目的如圖 1.1[3]，則電壓控制由單一迴路構成，其方法架構較雙迴路電流控制設計容易，當輸出電壓或負載變化時，都需要透過輸出檢測電路，再經由回授校正，且電壓控制本身輸出是二階低通濾波器，所以需要加入補償電路使電壓控制系統穩定。雙迴路電流控制增加電感電流感測迴路如圖 1.2[3]，藉著輸出電壓與參考電壓兩者誤差值與電感電流做比較，產生重複性責任週期，以達到穩壓效果，雖然電路複雜度比傳統 PID 電壓控制較複雜，但是系統穩定度與響應速度較好。 L. Vin. Cout. D. Verror PWM 產生器 + MOSFET 驅動器. Vo. RLoad. Vo 誤差放大器. Vref. 圖 1.1 傳統 PID 電壓控制轉換器 1.

(13) L. Vin. Cout. D. 電感電流感測器 + PWM 產生器 + MOSFET 驅動器. Vo. RLoad. Vo. Verror 誤差放大器. Vref. 圖 1.2 雙迴路電流控制轉換器近年來電源轉換器應用技術的效率要求更高，暫態反應速度要求更快，同時體積要求越來越小，則固定導通時間控制與遲滯控制都是不錯選擇。固定導通時間(Constant On Time)控制用前饋控制法(Feed Forward Control)使導通時間正比於輸入電壓且反比於輸出電壓，可以達到類定頻效果(Pseudo-Fixed Frequency)，對電磁干擾(EMI)的抑制有良好效果。並且負載變化時可以動態調節固定導通時間，所以其暫態響應相對較電壓控制與電流控制快，但是電路複雜度難度較高且成本貴。遲滯控制方法，其電路比傳統 PID 電壓控制，雙迴路電流控制，及固定導通時間控制均較簡單。響應速度比雙迴路電流控制優異。遲滯控制屬於 Bang Bang Control 一種，利用輸出漣波電壓回授或外加 RC 振盪電路與遲滯比較器上/下臨界電壓做比較產生責任週期，以達到穩壓效果，所以遲滯控制符合攜帶式電子產品設計概念低成本、響應快、效率高的需求[4]-[19]。. 1.2 研究方法及目的本文運用遲滯控制，遲滯控制是非定頻操作，且無需加入任何主動元件振盪器。遲滯型直流電壓轉換器(Hysteretic DC to DC Converter)具有低成本，電路簡單及反應速度快的優點，故目前在中低端電子產品上的應用很大。其缺點為轉換器之操作頻率會隨負載及輸出入電壓而改變，這就產生 EMI 及效率降低的問題。目 2.

(14) 前產學界應用在中低端產品的遲滯型直流電壓轉換器主要研發方向有兩種，第一種利用輸出電容等效串列電阻(Equivalent Series Resistance，ESR， )產生轉換器的操作頻率，在此簡稱 ESR 遲滯控制。第二種用外加 R f C f 振盪電路產生轉換器的操作頻率，在此簡稱 R f C f 遲滯控制 [5]，本文先分別推導此兩種方程式並將電路模擬與實作，再將此兩種控制方法混和，形成一個混合型遲滯控制電路，推導其方程式，並模擬實作，比較各種方法各個模擬與實作數據，設計出一電路簡單並得到良好的暫態響應之 R f C f +ESR 遲滯控制器。. 1.3 論文架構本論文內容，根據研究的流程及目的，共分為五個章節說明之：第一章緒論：主要是在說明研究方法及目的。第二章遲滯控制直流轉換器簡介：是在介紹各式遲滯控制器工作原理及各式遲滯控制器優缺點，並推導切換式直流轉換器小訊號模組。第三章遲滯控制直流轉換器設計：主要是在說明 ESR 與 R f C f 遲滯控制方程式推導與模擬圖比對。第四章實驗模擬與實作分析：主要是在量測電路波形與電路模擬，比較各項電路差異。第五章結論：主要是在討論整個內文架構，及未來展望。. 3.

(15) 第二章遲滯控制直流轉換器簡介遲滯控制直流轉換器應用，大致分為電壓回授與電壓電流回授及固定導通時間(Constant On Time)方法，電壓回授為最為簡單之控制，加入電流回授雖可增加電路穩定度，但回授電流須一檢測電流電路，電路較為複雜，而固定導通時間 (Constant On Time)為高階控制系統，需增加控制電路檢測頻率值，並加以控制，此線路更為複雜，故本文將輸出電壓回授控制，並外加 R f C f 量測電感電流，此方法不僅電路簡單，穩定度高。. 2.1 切換式直流轉換器小訊號分析本節利用狀態平均法計算切換式直流轉換器小訊號，因動態分析時須在各點加入擾動，並求出動態方程式，使其應用於電路推導，如圖 2.1 為切換式直流轉換器基本架構圖，以開關控制電路導通時間，計算電路各點方程式[20]-[23]。 IL. S1. L Resr. Vi. VESR. Vo. PWM. Cout. 圖 2.1. Rload. Vcpp. 切換式直流轉換器基本架構圖[20]-[23]. 如圖 2.2 為切換式直流轉換器導通週期電路圖，推導電感電流與輸出電壓方程式，如式(2.1)(2.2). 4.

(16) IL. L Resr. Vi. VESR. Vo Cout. 圖 2.2. Rload. Vcpp. 切換式直流轉換器導通週期電路圖[20]-[23] I L Vi  Vo  t L IL . Vi  Vo DTs L. Vc p p I L Vo   t Co u t R l o aCd Vcpp  (. (2.1). o u t. Vo IL  ) DTs Cout Rload Cout. (2.2). 如圖 2.3 為切換式直流轉換器截止週期電路圖，推導電感電流與輸出電壓方程式，如式(2.3)(2.4) IL. L Resr. VESR. Vo Cout. 圖 2.3. Rload. Vcpp. 切換式直流轉換器截止週期電路圖[20]-[23] 5.

(17) I L Vo  t L IL . Vo ( 1 D T)s L. (2.3). Vc p p I L Vo   t Co u t R l o aCd Vc p p (. o u t. Vo IL  ) ( 1D T) s Co u t R l o C a d o u t. (2.4). 利用狀態平均法將上述方程式(2.1-4)轉換為狀態表示法，如式(2.5)(2.6)(2.7) 1  D L  IL      L V  1  Vo    in 0 Rload Cout .  0 d IL     dt Vcpp   1  Cout. (2.5). I . Vo   0 1 VL . (2.6). I  0  L  Vo . (2.7).  o.  I in    D. 經式(2.5-7)的狀態，可以將轉換後狀態方程式，簡化成圖 2.4 切換式直流轉換器小訊號模組。 I in. IL 1: D. Vi. L. DVi ILD. Cout. Vcpp. Vo. `. 圖 2.4. 切換式直流轉換器小訊號模組[20]-[23]. 6. Rload.

(18) 利用圖 2.4 計算出電路轉移函式及輸出阻抗轉移函式如式(2.8)(2.9) 1 1 Rload ) V (s) sCout LCout Goi ( s )  o   1 1 Vi ( s) sL  ( 1 Rload ) s 2  s sCout RCout LCout (. Z o ( s) . Vo ( s) 1  sL I o (s) sCout. Rload . sRload L s Rload LCout  sL  Rload . 2. (2.8). (2.9). 2.2 電壓回授遲滯控制電壓回授遲滯控制是最簡單控制方法，將輸出電壓經 Sensor Gain 電路回授於遲滯比較器，利用比較器這種基本控制元件，就能達到高效率輸出效果，且輸出電容必須具有串聯等效電阻、ESR(Equivalent Series Resistance)越大，電路穩定度越高，所以在輕載時電容容量不需太大的情況下，有較高效率，且不會造成輸出漣波增加。圖 2.5 為一個簡化的電壓回授磁滯控制電路，遲滯比較器用來比較回授電壓與參考電壓。當回授電壓超過磁滯電壓的二分之一時，比較器沒有輸出，並且關閉金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)開關。此關閉狀態將持續到回授電壓低於二分之一的磁滯電壓，以及比較器輸出為高狀態時，才會重新導通開關。這種電源拓樸構造具有極為快速的響應，以因應負載瞬間變化。且有簡單、寬頻帶的控制回路，因此不必使用誤差放大器，也毋須頻率補償。不過有別於 PWM 設計，它的操作頻率不是由振盪器所設，而是取決於許多外在因素 [12]-[18]。. 7.

(19) IL. S1. L. Resr. Vi. VESR. Vo. PWM. Cout. Hysteretic Control. Rload. Vcpp. Sensor Gain. Vref. 圖 2.5 電壓回授磁滯控制電路. 2.3 電壓電流雙回授遲滯控制電壓電流雙回授遲滯控制因為是雙回授控制方法，所以電路會比電壓回授較複雜，但電路輸出電壓經電壓感測電路回授與電感電流經電感電流感測電路於遲滯比較器，控制導通時間，控制方法有兩種:[3][24] 1.誤差邊帶控制 2.固定截止時間長度 IL 2 IL 2. I Lavg. toff. ton. 圖 2.6 誤差邊帶控制波形圖[24]. I Lpeak. toff. toff. 圖 2.7 固定截止時間長度[24] 8.

(20) 誤差邊帶控制法如圖 2.6 所示，利用控制電壓控制電流平均值，切換頻率由 I L 及控制電壓決定，此控制方法僅用於連續模式，因為 I L 為零時，控制電壓為. 零，無輸出，所以不適用於非連續模式。固定截止時間長度如圖 2.7 所示，由控制電壓決定 I Lpeak 值，當 I L 超過 I Lpeak 時，電路就會截止，其截止時間固定，所以切換頻率不固定。如圖 2.8 電壓電流雙回授遲滯控制電路，因為雙回授，所以比較不會受輸出電容串聯等效電阻 ESR(Equivalent Series Resistance)所影響，電路穩定度及暫態響應會比電壓回授控制好，所以可應用中高負載電路中。 IL. S1. L. Resr. Vi. VESR. Vo. PWM. Cout. Rload. Vcpp. Inductor Current. Sensor Gain Hysteretic Control. . Vref. Output Voltage Sensor Gain. 圖 2.8 電壓電流雙回授磁滯控制電路. 2.4 固定導通時間遲滯控制如圖 2.9 為固定導通時間(Constant On Time)遲滯控制，圖 2.10 為固定時間長度波形圖，先將電壓電流雙回授於遲滯控制器內，頻率經一轉換電路 Frequency Sensor Gain 回授於遲滯控制器內，改變遲滯電壓上下區間，動態調節固定導通時間，可以達到類定頻效果(Pseudo-Fixed Frequency)，對電磁干擾(EMI)的抑制有良好效果，並且負載變化時可以動態調節固定導通時間，所以其暫態響應相對較電 9.

(21) 壓控制與電流控制快，但是其電路架構又比電壓電流雙回授複雜複雜，故無法完全滿足產業界需求，目前常被用於高產量或高單價的電子產品[1][3][24][26]。 IL. S1. L. Fref. Vi. Resr. VESR. Frequency. Sensor Gain. Rload. Vo. PWM. Cout. Vcpp. Inductor Current. Sensor Gain Hysteretic Band Adjustment. Hysteretic Control. . Output Voltage Sensor Gain. Vref. 圖 2.9 固定導通時間(Constant On Time)遲滯控制電路. I Lpeak. ton. toff. toff. ton. 圖 2.10 固定時間長度波形[24]. 10.

(22) 第三章遲滯控制直流轉換器設計本章節先說明兩種遲滯控制器基本控制方法，1.ESR 遲滯控制，2.RC 遲滯控制，並推算兩種控制之模組，再將此兩種控制方法混和，推算出 3. R f C f +ESR 遲滯控制模組，並模擬出電路波形與模組做比對。. 3.1 ESR 遲滯控制 S1. IL. L. Resr. Vin. VESR. Vo. Cout. RLoad. Vcpp. Vo 磁滯控制器. Vref. 圖 3.1 ESR 遲滯控制電路基本架構 ESR 遲滯控制方法基本整體電路架構如圖 3.1，其優點電路設計簡易且暫態響應快速，利用輸出電容等效串列電阻 Resr 所產生漣波電壓來做為遲滯的觸發控制，當 Resr 較小時輸出漣波電壓也會變小，太小的輸出漣波電壓會導致電路參數不穩定。然而，當 RESR 較大時輸出漣波電壓也會變大，太大的輸出漣波電壓會超出轉換器設計規範。因此，ESR 遲滯控制方法主要設計考量在取得漣波電壓與迴路穩定的平衡。以下針對 ESR 遲滯控制設計考量進行說明。. 11.

(23) 3.1.1. ESR 遲滯控制電路動態方程式推導. 為求 ESR 遲滯控制動態分析，須以小信號模組來表示，並在信號點加入擾動，經擾動信號來推導出動態模組，如圖 3.2 為擾動輸入電壓簡化電路及圖 3.3 擾動輸入電壓 PWM 之波形，首先將輸入電壓加入擾動，推導出 v fb 方程式如式 (3.1)(3.2)。 IL. L. Resr. R1 vi. V fb  v fb. Vo Cout. R2. Vi. 圖 3.2 擾動輸入電壓簡化電路. Vh. T 'off. T 'on. Toff. Ton. 圖 3.3 擾動輸入電壓 PWM 之波形 v fb  i L  Resr . . R2 R1  R2. (Vi  vi  Vo ) L.  Ton  Resr . 12. R2 R1  R2. (3.1).

(24) . Vo R2  Toff  Resr  L R1  R2. (3.2). 根據式(3.12)(3.13)求出擾動後的 T 'on 及 T 'off 時間如式(3.3)(3.4) T 'on . Vh R1  R2  R2 (Vi  vi  Vo ) / L. (3.3). T 'off . V R1  R2  h R2 Vo / L. (3.4). 將式(3.3)(3.4)代入式(3.5)計算出輸入電壓 vi 與工作週期 D 比例如式(3.5)(3.6) D  D ' D . T 'on Ton V    o2  vi T 'on  T 'off Ton  Toff Vi. (3.5). V D   o2 vi Vi. (3.6). 圖 3.4 為擾動輸出電壓簡化電路及圖 3.3 擾動輸出電壓 PWM 之波形，首先將輸出電壓 vo 加入擾動變化量 a 如式(3.7)，推導出 v fb 方程式如式 (3.8)(3.9) IL. L R1. Resr vo. V fb  v fb. Vi. Vo R2. Cout. 圖 3.4 擾動輸出電壓簡化電路. 13.

(25) Vh. T 'on. T 'off Toff. Ton. 圖 3.5 擾動輸出電壓 PWM 之波形. vo . a s2. v fb  vo . (3.7) R2 R1  R2. v fb  i L  Resr . (Vi  Vo ) R2  Ton  Resr  aTon )  L R1  R2. (3.8). Vo R2  Toff  Resr  aToff )  L R1  R2. (3.9). ( (. R2 R1  R2. 根據式(3.8)(3.9)求出擾動後的 T 'on 及 T 'off 時間如式(3.10)(3.11) T 'on . Vh R1  R2  R2 (Vi  Vo ) / L  Resr  a. (3.10). T 'off . Vh R1  R2  R2 Vo / L  Resr  a. (3.11). 在求出輸入電壓 vo 與工作週期 D 比例如式(3.12)(3.13) D  D ' D . T 'on Ton L a    T 'on  T 'off Ton  Toff Resr Vi. D L s    vo Re s r V. (3.12) (3.13). i. 從圖 3.1 找出電路之轉移函式 Goi ( s ) 如式(3.14)及輸出阻抗 Z out ( s) 如式(3.15) 14.

(26) 1  Resr ) Rload ) Vo ( s) sCout 1  sResr Cout Goi ( s)    Vi ( s) sL  (( 1  R ) R ) LC Rload  Resr s 2  ( R C  L ) s  1 esr load out esr out sCout Rload Rload ((. (3.14) Z out ( s ) . 1 1 1 1   1 Rload sL  sCout Resr.  LCout. (1  sResr Cout ) sL  sLGoi ( s ) Rload  Resr 2 L s  ( Resr Cout  )s  1 Rload Rload. (3.15) 根據式(3.14)求出輸出電阻與輸出電壓之比例如式(3.16) vo  I o Z out. Rload V R  o LsGoi ( s) load Rload Rload Rload. vo V  2o LsGoi ( s ) Rload Rload. (3.16). Rload Vo Ls 2 Rload. vi. Vo Vi. Gesr ( s ) Vi D. V  o2 Vi. . Ls ResrVi. 圖 3.6 ESR 遲滯控制動態模組. 15. vo.

(27) 3.1.2. ESR 遲滯控制電路模擬. 本章節是利用 P-Spice 及 Matlab 模擬 ESR 遲滯控制電路，ESR 遲滯控制電路由 Resr 做控制，模擬電路圖如圖 3.1，Vi 為 5V，Vref 為 1.6V，L 為 10 F，Cout 為 100 F ， Rload 為 50 ， Resr 模擬 150m 及 75m ，並加入 I o  300mA 的負載變化，觀察各波. 形，是否跟上述計算方程式相同，再畫出轉移函數波德圖比較。. (a). (b). 16.

(28) (c) 圖 3.7 ESR 遲滯控制各波形模擬圖 Resr  150m (a) PWM 波形 (b). I L 波形(c). (a). (b). 17. Vo 波形.

(29) (c) 圖 3.8 ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 Resr  150m (a) PWM 波形(b) I L 波形(c) Vo 波形. 圖 3.7 為 ESR 遲滯控制各波形模擬圖 Resr  150m ，圖 3.8 為 ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 Resr  150m ，當負載變化後， I L 增加，因 I L 與 f s 成反比，與 Vo 成正比，所以 f s 下降， Vo 增加，與模擬圖相似。. (a). 18.

(30) (b). (c) 圖 3.9 ESR 遲滯控制電路各波形模擬圖 Resr  75m (a) PWM 波形(b) I L 波形(c) Vo 波形. (a). 19.

(31) (b). (c) 圖 3.10 ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 Resr  75m (a) PWM 波形(b). I L 波形(c). Vo 波形. 圖 3.9 為 ESR 遲滯控制各波形模擬圖 Resr  75m ，圖 3.10 為 ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 Resr  75m，當負載變化後， I L 增加，因 I L 與 f s 成反比，與 Vo 成正比，所以 f s 下降， Vo 增加，與模擬圖相似。. 20.

(32) 圖 3.11 負載變化 Vo 與負載電流模擬波形 Resr  150m. 圖 3.12 負載變化 Vo 與負載電流模擬波形 Resr  75m. 圖 3.13 ESR 遲滯控制開迴路的波德圖. 21.

(33) ESR 遲滯控制 Resr 與 I L 及 f s 相關方程式如式(3.4)(3.5)，如圖 3.7(a)(b)(c)及圖 3.9(a)(b)(c)可知 Resr 越大時， I L 越小， f s 越大， Vo 越小，加入負載後，如圖 3.11 圖 3.12，比對圖 3.13 後，當 Resr 越大時，瞬間輸出電壓下降越大。. 3.2 R f C f 遲滯控制 IL. S1. L Vin. Cf. Rf. Vcf. Cout Vo. RLoad. V fb. 磁滯控制器. 圖 3.14. Vref. R f C f 遲滯控制電路基本架構. ESR 遲滯控制方法需要足夠大 Resr 來產生漣波電壓以產生遲滯振盪，它有前述 EMI 及效率降低的問題。若要改善這些問題，可利用外加 R f C f 遲滯控制方法(如圖 3.14 所示)，在外加 R f C f 電路中取得迴授電壓(Feedback Voltage) VFB 以產生遲滯振盪。由於外加 R f C f 遲滯控制方法不需要 RESR 來產生觸發漣波電壓，故選擇陶瓷電容(較小 RESR 並忽略所產生漣波電壓)搭配設計以利 R f C f 振盪電路主導遲滯控制，同時可取得較小輸出漣波電壓並應用於中低負載。對外加 R f C f 遲滯控制而言，選擇較大 R f C f 值，迴路增益(Loop Gain)變大， 22.

(34) 迴授電壓雜訊比變小，其中迴路增益(Loop Gain)變大可獲得較佳暫態響應，然而迴授電壓雜訊比變小會破壞遲滯控制穩定。若選擇較小 R f C f 時，迴授電壓雜訊比變大，遲滯控制較穩定，迴路增益(Loop Gain)變小，其中迴路增益(Loop Gain)變小會導致暫態響應較差。以下針對外加 R f C f 遲滯控制設計考量進行說明。. 3.2.1. R f C f 遲滯控制電路動態方程式推導. 為求 R f C f 遲滯控制動態分析，須以小信號模組來表示，並在信號點加入擾動，經擾動信號來推導出動態模組，如圖 3.15 為 R f C f 遲滯控制擾動輸入電壓簡化電路，首先將輸入電壓加入擾動，推導出 v fb 方程式如式(3.17)(3.18)，. Cf. Rf. Vin. V fb  v fb. Vo. Vin. 圖 3.15. R f C f 遲滯控制擾動輸入電壓簡化電路[25]. v fb  i L  Resr . R2 R1  R2. . (Vi  vi  Vo ) Ton R2 L R f C f R1  R2. (3.17). . Vo Toff R2   L R f C f R1  R2. (3.18). 23.

(35) 根據式(3.17)(3.18)求出擾動後的 T 'on 及 T 'off 時間如式(3.19)(3.20)， T 'on . Vh R1  R2  R2 (Vi  vi  Vo ) / L. (3.19). T 'off . V R1  R2  h R2 Vo / L. (3.20). 將式(3.19)(3.20)代入式(3.21)計算出輸入電壓 vi 與工作週期 D 比例如式 (3.21)(3.22) D  D ' D . T 'on Ton V    o2  vi T 'on  T 'off Ton  Toff Vi. (3.21). V D   o2 vi Vi. (3.22). 圖 3.16 為 R f C f 遲滯控制擾動輸出電壓簡化電路，首先將輸出電壓 vo 加入擾動如式(3.23)，推導出 v fb 方程式如(3.24)(3.25)，. Cf. Rf. V fb  v fb. Vo. Vin Vo. 圖 3.16. R f C f 遲滯控制擾動輸出電壓簡化電路[25]. vo . a s2. (3.23). v fb  vo . (. sR f C f 1  sR f C f. (Vi  Vo ). c.  Ton  aTon ). 24. (3.24).

(36) (. Vo. c.  Toff  aToff ). (3.25). 根據式(3.24)(3.25)求出擾動後的 T 'on 及 T 'off 時間如式(3.26)(3.27)， T 'on . Vh R1  R2  R2 (Vi  Vo ) / R f C f  a. (3.26). T 'off . Vh R1  R2  R2 Vo / R f C f  a. (3.27).. 將式(3.26)(3.27)代入式(3.28)計算出輸入電壓 vo 與工作週期 D 比例如式 (3.28)(3.29). D  D ' D . aR f C f T 'on Ton   T 'on  T 'off Ton  Toff Vi. (3.28). RC s D  f f vo Vi. (3.29). 從圖 3.10 找出電路之轉移函式 Goi ( s ) 如式(3.30)與輸出阻抗 Z out ( s) 如式(3.31) 及輸出回授電壓轉移函數 G fbo ( s ) 如式(3.32)和輸入回授電壓轉移函數 G fbi ( s ) 如式 (3.33) 1 Rload ) Vo ( s ) sCout Rload Goi ( s )    2 Vi ( s ) sL  ( 1 Rload ) s Rload LCout  sL  Rload sCout (. Z o u (t s). 1 1 1   Rl o a d s L. G fbo ( s ) . V fb ( s ) Vo ( s ). . . s Rl o a dL s Rl o a dL C ou t sL. 1 s Co u t Rf. 1  Rf sC f. . 2. sR f C f sR f C f  1. 25.  s L Gi (o )s Rl oad. (3.30). (3.31). (3.32).

(37) 1 V (s) sC f 1 G fbi ( s )  fb   1 Vi ( s )  R f sR f C f  1 sC f. (3.33). 據式(3.30)求出輸出電阻與輸出電壓之比例如式(3.34) vo  I o Z out. Rload V R  o LsGoi ( s) load Rload Rload Rload. vo V  2o LsGoi ( s ) Rload Rload. (3.34). Rload Vo Ls 2 Rload. vi. Vo Vi. Grc ( s ). vo. Vi D. V  o2 Vi 圖 3.17. 3.2.2. . Tc s Vi. R f C f 遲滯控制動態模組[25]. R f C f 遲滯控制電路模擬. 本章節是利用 P-Spice 及 Matlab 模擬 R f C f 遲滯控制電路， R f C f 遲滯控制電路由 R f C f 做控制，模擬電路圖如圖 3.14， Vi 為 5V，Vref 為 1.6V， L 為 10 F ， Cout 為 100 F ， Rload 為 50 ， R f C f 模擬 10 及 100 ，並加入 I o  300mA 的負載變化， 26.

(38) 觀察各波形，是否跟上述計算方程式相同，再畫出轉移函數波德圖各比較。. (a). (b). (c) 圖 3.18. R f C f 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  100u. (a) PWM 波形(b) I L 波形(c) Vo 波形. 27.

(39) (a). (b). (c) 圖 3.19. R f C f 遲滯控制電路負載變化各波形模擬圖 R f C f  100u. (a) PWM 波形(b) I L 波形(c) Vo 波形. 28.

(40) 圖 3.18 為 R f C f 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  100u ，圖 3.19 為 R f C f 遲滯控制電路負載變化各波形模擬圖 R f C f  100u ，當負載變化後， I L 增加，因 I L 與 f s 成反比，與 Vo 成正比，所以 f s 下降， Vo 增加，與模擬圖相似。. (a). (b). (c) 29. Vo.

(41) 圖 3.20 R f C f 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  10u (a) PWM 波形(b) I L 波形(c) Vo 波形. (a). (b). (c). 30.

(42) 圖 3.21 R f C f 遲滯控制電路負載變化各波形模擬圖 R f C f  10u (a) PWM 波形(b) I L 波形(b) Vo 波形. 圖 3.20 為 R f C f 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  10u ，圖 3.21 為 R f C f 遲滯控制電路負載變化各波形模擬圖 R f C f  10u ，當負載變化後， I L 增加，因 I L 與 f s 成反比，與 Vo 成正比，所以 f s 下降， Vo 增加，與模擬圖相似。. 圖 3.22 負載變化 Vo 與負載電流模擬波形 R f C f  100u. 圖 3.23 負載變化 Vo 與負載電流模擬波形 R f C f  10u. 31.

(43) 圖 3.24 R f C f 遲滯控制開迴路的波德圖 R f C f 遲滯控制未加負載時， R f C f 跟 f s 成反比，跟 I L 成正比， Vo 成反比，. 如圖 3.21~3.23 所示， R f C f 越大時，暫態響應越佳，如圖 3.24 及圖 3.25。. 3.3 R f C f +ESR 遲滯控制 IL. S1. L Vin. Cf. Rf. Vcf. RESR. Cout. V fb. 磁滯控制器. Vref. 圖 3.25 R f C f +ESR 遲滯控制基本架構 32. Vo. RLoad.

(44) 若單獨使用 ESR 遲滯控制或外加 R f C f 遲滯控制，則他們的缺點己在前述文中說明。因此，本文主要目的是探討一 R f C f +ESR 遲滯控制方法結合 ESR 遲滯控制及外加 R f C f 遲滯控制，採取兩者並用，根據系統的需要，調節 R f C f 及輸出電容等效串列電阻 RESR 的迴授比重，以達到轉換效率、系統反應、成本、電遲干擾 (EMI)、頻率漂移、及漣波的總體優化平衡點。 R f C f +ESR 遲滯控制電路動態方程式推導. 3.3.1. R f C f +ESR 遲滯控制整合上述兩種方法，在動態時，由 R f C f 電路控制，所以. 動態推導大致與 R f C f 遲滯控制相同，但 Goi ( s ) 轉移函數內包含輸出電容等效串列電阻 RESR 如式(3.35)，如圖 3.7 為 R f C f +ESR 遲滯控制動態模組，雖然動態時模組相同，但 GM ( s) 轉移函數內包含輸出電容等效串列電阻 RESR 如式(3.36) 1  Resr ) Rload ) Vo ( s) sCout 1  sResr Cout Goi ( s)    Vi ( s) sL  (( 1  R ) R ) LC Rload  Resr s 2  ( R C  L ) s  1 esr load out esr out sCout Rload Rload ((. (3.35) 將式(3.32)(3.33)代入系統轉移函式 T ( s) 如式(3.36)[27][28] T ( s )  GM ( s ). G fbo ( s ).  GM ( s ). G fbo ( s). G fbi ( s ). G fbi ( s).  LCout. (1  sResr Cout ) s c Rload  Resr 2 L s  ( Resr Cout  )s  1 Rload Rload. 33. (3.36).

(45) Rload Vo Ls 2 Rload. vi. Vo Vi. GM ( s ). vo. Vi D. V  o2 Vi 圖 3.26. 3.3.2. . Tc s Vi. R f C f +ESR 遲滯控制動態模組.. R f C f +ESR 遲滯控制電路模擬. 本章節是利用 P-Spice 及 Matlab 模擬 R f C f +ESR 遲滯控制電路，R f C f 與 Resr 根據方程式(3.49)，模擬電路圖如圖 3.14，Vi 為 5V，Vref 為 1.6V， L 為 10 F ， Cout 為 100 F ， Rload 為 50 ， R f C f 模擬 10 及 100 ， Resr 為 150m ，並加入 I o  300mA 的. 負載變化，觀察各波形，是否跟上述計算方程式相同，再畫出轉移函數波德圖各比較。. 34.

(46) (a). (b). (c) 圖 3.27 R f C f +ESR 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  100u ；Resr  150m (a) PWM 波形(b). I L 波形(c). (a). 35. Vo 波形.

(47) (b). (c) 圖 3.28 R f C f +ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 R f C f  100u ；Resr  150m (a) PWM 波形(b). I L 波形(b). Vo 波形. 圖 3.27 為 R f C f +ESR 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  100u ；Resr  150m ，圖 3.28 為 R f C f +ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 R f C f  100u ；Resr  150m ，當負載變化後， I L 增加，因 I L 與 f s 成反比，與 Vo 成正比，所以 f s 下降， Vo 增加，與模擬圖相似。. 36.

(48) (a). (b). (c) 圖 3.29 R f C f +ESR 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  10u ；Resr  150m (a) PWM 波形(b). I L 波形(c). 37. Vo 波形.

(49) (a). (b). (c) 圖 3.30 R f C f +ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 R f C f  10u ；Resr  150m (a) PWM 波形(b). I L 波形(c). Vo 波形. 圖 3.29 為 R f C f +ESR 遲滯控制各波形模擬圖 R f C f  10u ；Resr  150m ，圖 38.

(50) 3.30 為 R f C f +ESR 遲滯控制負載變化各波形模擬圖 R f C f  10u ；Resr  150m ，當負載變化後， I L 增加，因 I L 與 f s 成反比，與 Vo 成正比，所以 f s 下降， Vo 增加，與模擬圖相似。. 圖 3.31 負載變化 Vo 與負載電流波形模擬圖 R f C f  100u ；Resr  150m. 圖 3.32 負載變化 Vo 與負載電流波形模擬圖 R f C f  10u ；Resr  150m. 39.

(51) 圖 3.33 R f C f 遲滯控制開迴路的波德圖 R f C f +ESR 遲滯控制， R f C f 跟 Resr 比例為 2：3 時，電路由 ESR 遲滯控制，. 如圖 3.32 及圖 3.33，暫態響應不如預期的佳，但 Vo 會比 ESR 遲滯控制來的佳。. 40.

(52) 第四章. 實驗實作分析. 此章節將 ESR 遲滯控制與 RC 遲滯控制及混和型遲滯控制電源電路做電路實作，ESR 遲滯控制大部分應用於中低負載實驗方法，當負載變動時，輸出電容. Cout 太小時，輸出電壓變動量會過大，為穩定輸出電壓，Cout 在 ESR 遲滯控制時，電容值都會較大，所以 ESR 遲滯控制不適用於輕載，但經 RC 遲滯控制混合 ESR 遲滯控制形成一 R f C f +ESR 遲滯控制器，來改善此問題，本電路中低負載輸出電容 Cout 選擇電解質電容，電解質電容量較大，但對 ESR 電路來講電容量越大，內部電阻 Resr 就會越小，電路就會比較不穩定，而輕載輸出電容 Cout 選擇薄膜電容，其電容量較小，電路較不穩定，所以本實驗分為中低負載及輕載，並比較各項電路中的電壓電流值與頻率。. 4.1 ESR 遲滯控制實作電路本節實驗為 ESR 遲滯控制器之實作，如上述所說明，將實驗分為兩個部分， 1.ESR 遲滯控制直流轉換器於輕載電路實作，2.為 ESR 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作，圖 4.1 為 ESR 遲滯控制直流轉換器電路，遲滯控制器為 LM3485 IC，遲滯電壓 Vh 為 30mV[29]，P 型 MOSFET 為 Si3586 IC[30]，輕載部分，將電解質電容換成薄膜電容，將 Rload 設計在 1k ，並外加電子負載於輸出電阻 Rload ，變動負載電流，觀察各點電壓及電流，中低負載部分，將 Rload 設計在 50 ，改變輸出電解質電容串聯電阻 RESR ，將電子負載並聯 Rload 輸出，設計一輸出電流，變動負載電流，觀察暫態響應及各點電壓電流值，圖 4.1 為實際電路圖，將 Resr 從 150m 到 75m 做模擬與實作。. 41.

(53) L Si3586. IL. Resr. VESR. Vin. Vo Cout. Rload. Vcpp. Vo LM3485. Vref. 圖 4.1 ESR 遲滯控制實際電路圖. 4.1.1. ESR 遲滯控制直流轉換器於輕負載電路實作. ESR 遲滯控制直流轉換器輕載電路設計 Vi 為 5V， Vref 為 1.6V， Rload 為 1k ，輸出電容 Cout 為薄膜電容，電容值為 0.1 F ，輸出電容串連等效電阻 Resr 為. 400m ，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。. 42.

(54) (a). (b). (c). 圖 4.2 ESR 遲滯控制電路於輕載各點波形圖 Resr  400m (a) Vo 波形(b) I L 波形(c) PWM 波形. (a). (b). 43.

(55) (c). 圖 4.3 ESR 遲滯控制電路於輕載負載變化各點波形圖 Resr  400m (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 圖 4.4 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr  400m ESR 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 4.2，當負載變化時，電路變為連續狀態，但因輸出電容過小，所以輸出電壓變動量很大，無法達到穩壓效果，如圖 4.3。由圖 4.4 可知，因輕載時，輸出電容小，則 Resr 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。. 44.

(56) 4.1.2 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 Vi 為 5V， Vref 為 1.6V， Rload 為. 50 ，輸出電容 Cout 為電解電容，電容值為 100 F ，輸出電容串連等效電阻 Resr 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 Resr 為 150m 各點波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 45.

(57) (a). (b). (c). 圖 4.6 ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點負載變化波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c)PWM 波形. 46.

(58) 圖 4.7 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m. (a). (b). (c). 圖 4.8 ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點波形圖. 47.

(59) (a). Vo 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 Resr 為 75m 各點負載變化波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 48.

(60) 圖 4.10 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 75m ESR 遲滯控制直流轉換器在中低負載時， Resr 為 75m 及 150m ，如圖 4.7 及圖 4.10，當 Resr 大時，輸出電壓變動量很大，電路暫態響應佳，當 Resr 小時，輸出電壓變動量小，電路暫態響應較慢。. 4.2. R f C f 遲滯控制電路實作本節實驗為 R f C 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 Resr 不為零，所以需代入式(3.31) L. . RESR . 10 H. . 150m ~ 75m. 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 f C f 遲滯控制直流轉換器於輕載電路實作，2.為 R f C f 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作，圖 4.11 為 R f C 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 f C f 遲滯控制來改善電路波型。. 49.

(61) L Si3586. IL. S1. Cf. Rf. Vin Cout. Vcpp. Vo. Rload. V fb LM3485. Vref. 圖 4.11. 4.2.1. R f C f 遲滯控制實際電路圖. R f C f 遲滯控制直流轉換器於輕負載電路實作 R f C f 遲滯控制直流轉換器輕載電路 R f C f 設計為 10  ，Vi 為 5V，Vref 為 1.6V，. Rload 為 1k ，輸出電容 Cout 為薄膜電容，電容值為 0.1 F ，輸出電容串連等效電阻 Resr 為 400m ，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。. 50.

(62) (a). (b). (c). 圖 4.12 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 400m 各點波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. (a). (b). 51.

(63) (c). 圖 4.13 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 400m 各點負載變化波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 圖 4.14 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 400m R f C 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 f C 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 Resr 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。. 52.

(64) 4.2.2. R f C f 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作. R f C f 遲滯控制直流轉換器中低負載電路， R f C f 設計為 10  ，Vi 為 5V，Vref 為. 1.6V， Rload 為 50 ，輸出電容 Cout 為電解電容，電容值為 100 F ，輸出電容串連等效電阻 Resr 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 4.15 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 53.

(65) (a). (b). (c). 圖 4.16 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點負載變化波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 54.

(66) 圖 4.17 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m. (a). (b). (c). 圖 4.18 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點波形圖. 55.

(67) (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. (a). (b). (c). 圖 4.19 R f C f 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點負載變化波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 56.

(68) 圖 4.20 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 75m R f C f 遲滯控制直流轉換器在中低負載時， Resr 為 75m 及 150m ，如圖 4.17. 及圖 4.20，當 R f C f 大時，輸出電壓變動量很大，電路暫態響應佳，當 R f C f 小時，輸出電壓變動量小，電路暫態響應較慢。. 4.3. R f C f +ESR 遲滯控制實作電路本節實驗為 R f C f +ESR 遲滯控制器之實作， R f C f +ESR 電路控制時，需判斷. 電路由 R f C f 遲滯控制，還是由 ESR 遲滯控制，將式(3.36)轉化為. 1 R 與 ESR 之 Rf C f L. 比例，將  c 設計為 20 及 50，而 Rrse 設計為 400m 與 150m 及 75m，這樣與. 1 Rf C f. RESR 比例就會有六種，分別為(5:4)、(1:2)、(10:3)、(4:3)、(20:3)、(8:3)， L. 將這些數據加入圖 4.21 輕載與中低負載。. 57.

(69) 10uH IL. S1. Cf. Rf. Resr. VESR. 5V Vo 100uF. 50. Vcpp. V fb LM3485. Vref. 圖 4.21 R f C f +ESR 遲滯控制實際電路圖. 4.3.1. R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器於輕負載電路實作. R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器輕載電路 Vi 為 5V，Vref 為 1.6V， Rload 為 1k ，. 輸出電容 Cout 為薄膜電容，電容值為 0.1 F ，輸出電容串聯 Resr 為 400m ，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。. (b). (a) 58.

(70) (c) 圖 4.22 R f C f +ESR 遲滯控制 Resr 為 400m R f C f 為 20 各點波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. (a). (b). 59.

(71) (c). 圖 4.23 R f C f +ESR 遲滯控制 Resr 為 400m R f C f 為 20 各點負載變化波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 圖 4.24 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 400m R f C f 為 20. 60.

(72) (a). (b). (c). 圖 4.25 R f C f +ESR 遲滯控制 Resr 為 400m R f C f 為 50 各點波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. (a). (b) 61.

(73) (c). 圖 4.26 R f C f +ESR 遲滯控制 Resr 為 400m R f C f 為 50 各點波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 圖 4.27 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 400m R f C f 為 50 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器在輕負載時，Resr 為 400m，R f C f 為 20 及 50 ，. 如圖 4.24 及圖 4.27，當 R f C f 比值比 Resr 比值大時，輸出電壓變動量很大，電路暫態響應佳，當 R f C f 比值比 Resr 比值小時，輸出電壓變動量小，電路暫態響應較慢。. 62.

(74) 4.3.2. R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器於中低負載電路實作. R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器中低負載電路，R f C f 設計為 10  ，Vi 為 5V， Vref 為 1.6V， Rload 為 50 ，輸出電容 Cout 為電解電容，電容值為 100 F ，輸出電. 容串連等效電阻 Resr 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 f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖 (a). Vo 波形(b). I L 波形(c) PWM 波形. 63.

(75) (a)負載變化 Vo 波形. (b) 負載變化 I L 波形. (c). 圖 4.29 R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點負載變化波形圖 (a). Vo 波形(b) I L 波形(c) PWM 波形. 64.

(76) 圖 4.30 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m. (a). (b). (c). 圖 4.31. R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點波形圖. 65.

(77) (a). Vo 波形(b) I L 波形(c) PWM 波形. (a). (b). (c). 圖 4.32. R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 75m 各點負載變化波形圖. (a). Vo 波形(b) I L 波形(c) PWM 波形. 66.


(79) (a). Vo 波形(b) I L 波形(c) PWM 波形. (a)負載變化 Vo 波形. (b) 負載變化 I L 波形. (c)負載變化 PWM 波形. 圖 4.35. R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖. (a). Vo 波形(b) I L 波形(c) PWM 波形. 68.


(81) (a). Vo 波形(b) I L 波形(c) PWM 波形. (a). (b). (c). 圖 4.38. R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器 Resr 為 150m 各點波形圖. (a). Vo 波形(b) I L 波形(c) PWM 波形. 70.

(82) 圖 4.39 負載變化 Vo 與負載電流波形 Resr 為 150m R f C f +ESR 遲滯控制直流轉換器在輕負載時， Resr 為 150m 及 75m， R f C f 為 20 及 50 ，如圖 4.30、圖 4.33、圖 4.36 河圖 4.39，當 R f C f 比值比 Resr 比值大時，. 輸出電壓變動量很大，電路暫態響應佳，當 R f C f 比值比 Resr 比值小時，輸出電壓變動量小，電路暫態響應較慢，當 R f C f 比值與 Resr 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 Vo 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 Vo 越大，但 f s 變動量很小，R f C f 越小時，電路輸出電壓 Vo 越小，但 f s 變動量很大。. 71.

(83) 表 4.1 輕負載各波形數據. R esr. R f Cf. Vo. IL. fs. Vo (300 m ). I L (300 m ). f s (300 m ). 400m 400m 400m 400m 400m. 100u 50u 20u 10u 0. 69.6m 69.6m 70m 70m 96m. 145m 158m 154m 148m 228m. 853k 854k 876k 880k 739k. 204m 200m 96m 110m 236m. 524m 500m 76.8m 148m 950m. 723k 700k 1.5M 2M 611k. 中低負載部分實驗數據如表 4.2 及表 4.3，經統計數據證實，結果大致與輕負載相同，可以證實 ESR 遲滯控制電路與 R f C f 遲滯控制電路合成一 R f C f +ESR 遲滯控制器，電路暫態響應與輸出變動電壓 Vo 與電感電流 I L 皆有良好得控制。表 4.2 輕中低負載 R esr 為 75m 各波形數據. R esr. R f Cf. Vo. IL. fs. Vo (300 m ). I L (300 m ). 75m 75m 75m 75m 75m. 100u 50u 20u 10u 0. 66.4m 64.8m 65m 65m 156m. 38.4m 43m 50m 46m 58.4m. 1.65M 1.67M 1.69M 1.7M 655.3k. 100m 100m 68.8m 68.8m 140m. 47.6m 64m 52m 54m 60m. f s (300 m ) 1.8331M 1.84M 1.88M 1.9M 1.05M. 表 4.3 中低負載 R esr 為 150m 各波形數據. R esr. R f Cf. Vo. IL. fs. Vo (300 m ). I L (300 m ). f s (300 m ). 150m 150m 150m 150m 150m. 150u 50u 20u 10u 0. 65.6m 65m 66m 62m 146m. 39.2m 44.8m 46m 53m 72.8m. 1.643M 1.67M 1.68M 1.7M 676k. 102m 100m 69m 68.8m 132m. 48.4m 60m 50m 51m 62m. 1.82 M 1.85M 1.88M 1.9M 950k. 72.

(84) 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 f C f 遲滯控制，形成一個 R f C 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 Cout 過小，無法穩壓，在負載一變動的情形下，輸出電壓 Vo 下降過多，經 R f C f +ESR 遲滯控制器控制，輸出電壓回授由 R f C 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 f C 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 f C 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 f C 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。. 73.

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