罗氏谐振器—一种用于DC/DC变换器的PWM信号发生器

罗氏谐振器—一种用于DC/DC变换器的PWM信号发生器

摘要：罗氏谐振器是一种脉宽调制（PWM）开关信号发生器，它可以产生PWM脉冲列来控制DC/DC变换器，如罗氏复举电路变换器[1]。这种谐振器仅由三个运算放大器（OA）组成，能产生开关信号脉冲列来控制静态开关的导通和关断，其频率f和导通占空比k可调。罗氏谐振器可被再次集成到便携式DC/DC升压型变换器系列特定用途的集成电路（ASIC）中。

关键词：DC/DC变换器谐振谐振器运算放大器特定用途集成电路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升压型变换器系列广泛应用在计算机硬件和工业应用上[1,2,3]，如：计算机的外围电源、汽车辅助电源、伺服电机的驱动电源和医疗设备。近年来，DC/DC变换器技术发展得很快，例如，罗氏变换器系列和Cuk变换器已被开发出来[1,4,5,6]。DC/DC变换器的静态开关S可以是双极性功率晶体管、MOSFET或IGBT，需要用频率f和导通占空比k可调的PWM脉冲列来驱动。通常这一PWM脉冲列是由一个数字信号处理器（DSP）产生。本文介绍一种罗氏谐振器，如图1所示。它可以取代DSP产生PWM脉冲列来驱动静态开关S。罗氏谐振器能被再次集成到降压型和升压型便携式DC/DC变换器系列的特定用途集成电路（ASIC）中。

罗氏谐振器具有高效简单的电路结构，改变脉冲频率f和导通占空比k很容易。它由三个运算放大器（OA）及辅助元件组成。这三个运放分别命名为OA1、OA2和OA3，型号均为μA741，集成在一片TL074芯片中（含四个运放）。两只电位器分别用来调整脉冲的频率f和导通占空比k。

在对罗氏谐振器进行分析之前，首先假设运放是理想的，则满足：

（1）开环电压增益为无穷大；

（2）输入电阻为无穷大，输出电阻为0；

（3）输出电压正负最大值等于电源电压值。

2电路描述

μA741型运放OA可工作在电源电压为±（3～18）V之间，电源端和接地端分别记作V＋、V－和G，其中2=V＋。图1中OA2为一积分器，它的输出电压VC是一三角波，其频率f=1/T可由电位器R4调节。OA1为一谐振器，它的输出电压VB是一频率为f的矩形波。OA3用做比较器，它的输出电压VD是一矩形脉冲，其导通占空比k可由电位器R7调节。

首先，假设当t=0时VB=V＋，通过电阻R2正

图1罗氏谐振器

反馈给OA1。这使得OA1的输出电压保持VB=V＋。同时，VB通过R4输入OA2，因此OA2的输出电压VC按斜率1/（R4C）减少至mV－。电压VC通过R3负反馈给OA1。（通常令R3略小于R2，其比率定义为m=R3/R2）。A点的电压VA在时间段2mR4C由[2mV＋/(1＋m)]变至0。因此，电压VA向负值减少，导致在t=2mR4C时，OA1的输出电压VB=V－，电压VA跳至[2mV－/(1＋m）]。同理，当t=2mR4C时，VB=V－，并通过电阻R2正反馈给OA1。这使得OA1的输出电压保持VB=V－。同时，VB通过R4输入OA2，因此OA2的输出电压VC按斜率1/R4C增加至mV＋。电压VC通过R3负反馈给OA1。A点的电压VA在时间段2mR4C内由[2mV－/(1＋m)]变至0。因此，电压VA向正值增加，导致在t=4mR4C时，OA1的输出电压VB=V＋，电压VA跳至[2mV＋/(1＋m)]。

VC输入0A3，并通过R6和偏移信号Voff－set进行比较，偏移信号可由电位器R7进行调节。当Voff－set=0，OA3的输出电压VD是一系列导通占空比k=0.5的脉冲。当Voff－set为正值时，与电压VC的交点上移，因此OA3的输出电压VD是一系列导通占空比k<0.5的 脉 冲 。 同 理 ， 当 Voff－ set为 负 值 时 ， 与 电 压 VC的 交 点 下 移 ， 因 此 OA3的 输 出 电 压 VD是 一 系 列 导 通 k>0.5的脉冲，如图2所示。导通占空比k由Voff－set通过电位器R7控制。

PWM脉冲列VD通过一耦合电路提供给DC/DC变换器的开关，如功率晶体管、MOSFET或IGBT。电压VA、VB、VC和VD的波形如图2所示。

设计实例：罗氏谐振器的内部电路如图1所示，其元件参数为：R0=10kΩ；R1=R2=R5=100kΩ;R3=R6=95kΩ;R4=510Ω～5.1kΩ;R7=10kΩ;C=5.1nF。因此有：m=0.95频率f=100KHZ.html" target="_blank" title="100KHZ">100KHZ～10kHz，导通占空比k=0～1.0。

3讨论

芯片TL074中的μA741型运算放大器频带宽约为2MHz，当罗氏谐振器工作在f=100KHZ时，它的开环增益仅为20。VC的波形可能会发生轻微的变形，象一指数函数曲线，但是，所输出的脉冲列的频率f和导通占空比k仍然可调。虽然所有运放OA的实际正负输出电压最大值要比电源电压低，罗氏谐振器仍能很好的工作。当电源电压从±5V变至±18V时，频率f和导能占空比k的改变小于2％。

图2罗氏谐振器的电压波形

4结论

罗氏谐振器已被开发出来，这是一种用于控制DC/DC升压型变换器的新型谐振器。它能产生高品质的PWM脉冲列来导通或关断静态开关，从而实现DC/DC升压变换。它对于源电压的变化具有很强的容错能力，因此可以广泛地应用于各种DC/DC变换器中。它也可以被再次集成到便携式DC/DC变换器系列的ASIC芯片中。