单周期控制Buck变换器输入电压调整率改善策略.pdf

单周期控制Buck变换器输入电压调整率改善策略.pdf 第3期 电 源 学 报 No.32013 年 5 月 Journal of Power Supply May.2013 杨 政 1袁徐文尚 1袁尚绍华 1袁李 迪 2 1.山东科技大学袁山东 青岛 266590曰2. 聊城供电公司袁山东 聊城 252000 摘要院在阶跃输入电压的作用下袁单周期控制的 Buck 变换器的输出电压会产生一定的偏差袁无法实现理论上对 输入电压扰动的完全抑制遥 深入分析后发现是由于单周期控制器的硬件延迟所致遥 在此基础上提出了一种改进型的 控制策略袁并给出了理论推导和仿真验证遥 相比于传统策略袁该策略在控制环路中增加了积分器输入电压发生环节 和参考电压发生环节袁可以基本实现对输入扰动的完全抑制袁有效地提高了单周期控制 Buck 变换器的输入电压调 整率遥 关键词院单周期控制曰Buck 变换器曰电压调整率曰硬件延迟 中图分类号院TM46 文献标志码院A 文章编号院2095-2805渊2013冤03-0096-05 的改善遥 文献10提出了一种基于单周期控制的双 向大变比 DC/DC 开关变换器袁针对新型双向大变比 随着电源系统的集成化和功率密度的提高袁一 升降压 Buck/Boost 电路袁提出了一种改进单周期控方面袁要求电源模块工作在更低的电 -2曰另一方面袁对电源模块的动态特性的 从已压下袁输出更 制模型遥大的电流 1 有文献可以发现袁 国内外对单周期控制要求也越来越苛刻3遥 Buck 变换器是非隔离型低压 Buck 变换器输入电压调整率的研究较少袁而研究发大电流电源模块最常用的拓扑袁其控制是电源 现袁当输入电压跃变时袁输出电压会产生一定的偏领域的研究热点之一4遥 单周期控制是近年来提出 差袁无法实现理论上对输入扰动的完全抑制遥 为此袁的一种非线性控制策略袁其可在输入电压发生扰动 本文以单周期控制 Buck 变换器为研究对象袁 研究时袁于一个周期内调节占空比以稳定输出袁故而得 和分析输入电压调整率存在的问题袁并提出了相应名为单周期控制5遥 这种技术利用了开关变换器的 的改善策略袁并对该策略进行仿真研究遥脉冲特性和非线性特性袁较好地实现了斩波电压或电流平均值的即时控制袁具有反应速度快尧鲁棒性好尧电源侧抗干扰抑制能力强尧具有输入波动抑制能力等特点袁但对负载扰动抑制能力比较差6-10遥 单周期控制 Buck 变换器的电路图如图 1 所 文献7对单周期控制 Buck 变换器的稳定性进 示遥 单周期控制 Buck 变换器的主电路由主开关管行了分析院当参考电压小于输入电压时袁在任何电 Q1尧同步管 Q2 以及输出滤波器组成袁控制电路主要路参数下袁 该变换器都可以工作在稳定运行状态遥 由积分器尧复位开关尧控制单元及驱动单元组成遥 积文献8袁9对单周期控制的负载调整率进行了研究袁 分器是由运放实现袁 复位开关并联在积分电容两并结合 PI 控制器或 PID 控制器袁实现了负载调整率 端袁控制单元用于产生 PWM 控制信号袁通常由一个 电压比较器和 SR 触发器实现袁 驱动单元用于放大收稿日期院2013-03-15作者简介院杨 政1988- 袁男袁硕士研究生袁研究方向:计算机控制与 控制信号并驱动 MOSFET遥 图中 V in 为输入电压袁V o 仿真尧电动汽车控制系统曰?煳纳?956- 袁男袁教授袁硕士 为输出电压袁V ref 为参考电压袁v d 为同步管 D-S 间电 生导师袁研究方向:计算机控制与仿真遥第3期 杨 政袁等院单周期控制 Buck 变换器输入电压调整率改善策略 97压袁v int 为积分器输出电压遥 式渊3冤和渊4冤联立解得院 渊5冤 由式渊3冤和渊5冤可知袁当输入电压变化时袁占空 比可以在一个开关周期内实现自动跟随袁而输出电 压仍保持参考电压不变遥 在 Pspice 软件中袁 对单周期控制 Buck 变换器 进行仿真研究遥 输入电压为 9耀18 V袁 输出电压为 3.3 V袁 输出功率为 10 W袁 开关频率为 200 kHz遥 图 1 单周期控制 Buck 变换器 MOSFET尧 运算放大器均选用厂家官方网站提供的 单周期控制Buck 变换器在开关周期 Ts 内袁可 器件仿真模型袁主开关和同步管为 IRF3205S袁运算以分为 3 个工作阶段院 放大器为 LM7372袁用于组成 RS 触发器的逻辑或非 阶段 1院主管开通遥 控制单元内有周期固定渊即 门型号为 74HC02遥 仿真电路图见图 2遥为开关周期冤的脉冲发生器袁脉冲经过控制单元和 为了测试变换器的性能袁为其施加从 9 V 到 15驱动单元后袁驱动主开关管开通遥 主开关管导通后袁 V 的输入电压阶跃扰动袁仿真波形如图 3 所示遥从仿积分器工作袁v int 以固定斜率变化袁 积分器输出电压 真波形中袁可以发现院渊1冤输入电压阶跃变化时袁单可以表示为院 周期控制器可以在一个周期内实现对占空比的调 节遥 渊2冤在不同的输入电压下袁积分器的输入电压随 渊1冤 之变化袁并且导致了积分斜率的变化遥 渊3冤输入电压 阶段 2院 主管关断与积分器复位遥 当 v int 与-V ref 变化后袁输出电压经过调节过程后稳定在另一个值相等时袁比较器输出脉冲袁经控制单元袁产生关断信 上袁与原输出电压有一定偏差渊从图上看出袁 偏差大约为 0.1 V冤平均值号袁此信号经过驱动单元袁控制主管关断遥 同时同步 遥 不难得出这样的结论袁在输入管的驱动信号将使复位开关管导通袁 使积分器复 电压阶跃变化时袁单周期控制无法完全消除输入电位遥假设此周期的占空比为 d袁则当 td伊Ts 时积分器 压扰动的影响袁导致输出电压存在偏差袁从而降低积到参考电压-V ref袁有院 了输入电压调整率遥 渊2冤 仔细分析变换器的工作波形袁发 现在每一个周 期里袁 积分器输出达到给定值时未能立即复位袁这 设置时间常数R i伊Ci 为开关周期 Ts袁可得院 是由控制单元的硬件延迟引起的遥 图 4 显示了这种 渊3冤 延迟袁可以看硬件延迟时间 Td 约为 100 ns遥 正是该 延迟的存在使得输入电压变化时袁输出电压也跟随 阶段 3院 同步管导通遥 驱动单元驱动同步管导 着变化遥通袁变换器进入续流阶段遥 因为延迟的存在袁等效于占空比在理论占空比 电路处于稳态时袁输出电感电压 v l 的开关周期 的基础上增加了 Td /Ts袁根据式渊4冤可得院平均值为零袁因此 v d 的周期平均值等于输出电压V o院 渊6冤 渊4冤 98 电 源 学 报 总第 47 期 图 2 单周期控制 Buck 变换器仿真电路 图 3 单周期控制 Buck 变换器仿真波形 由于 V ref 固定袁Td 也相对固定袁故 V o 将随着输入电压的变化而变化遥 可以得出袁当输入电压变化为驻V in 时袁输出电压的偏差 驻V o 为院 渊7冤 为了改善变换器的输入电压调整率袁必须要消 因此袁在上面的仿真中袁当输入电压由 9 V 变化 除硬件延迟对输出电压的影响袁由此可以提出改进为 15 V 时袁代入公式渊7冤可得输出电压的理论偏差 单周期的控制策略院首先袁保证积分器输入电压固值为 0.12 V袁这和实际观测到的偏差基本吻合遥 定袁这可以保证系统在不同输入电压时积分斜率一第3期 杨 政袁等院单周期控制 Buck 变换器输入电压调整率改善策略 99 图 4 硬件延迟波形分析致袁 从而硬件延迟造成的输出电压误差基本一致曰其次袁参考电压减去延迟造成的误差值遥 因此可以改进型的单周期控制器如图 5 所示袁主要增加了积分器输入电压发生电路和参考电压发生电路遥对比图 1 所示的传统单周期控制的原理图袁可以发现传统的积分器输入电压 v c 就是? 焦?D-S间电压 v d袁参考电压也是直接给定的固定值遥 图 5 改进型单周期控制器原理图 下面进行控制策略的理论推导袁其中 d 为理论占空比袁v c 为稳压后的积分器输入电压袁Dd 为延迟 在图 2 的基础上袁增加图 5 所示的电压前馈环占空比袁DdTd /Ts遥 节及积分器输入电 压发生电路袁得到的仿真波形如 乙 图 6 所示遥 从图上可以看出袁输入电压变化 时袁参考 Ts 窑 由 v int v c dtd v cV ref 得院 0 电压随之发生变化袁 同时输出电 压基本保持不变袁 仿真结果与理论吻合遥 渊8冤 由于延迟的存在袁复位时积分电 容两端电压为 窑dDd V in袁根据式渊4冤可得院 本文研究了单周期控制 Buck 变 换器的输入电 渊9冤 压调整率问题袁针对输入电压跃变时袁控制器的硬 化简得院 件延迟会引起输出电压偏差袁导致输入电压调整率 降低的问题袁提出了一种提高 输入电压调整率的策 渊10冤 略袁并给出了理论推导和仿真验证遥 相比于传统策 按式渊10冤设置积分器的参考电压即可消除硬 略袁该策略在控制环路中增加积分 器输入电压发生件延迟的影响袁 其中 v c袁V o袁Dd 均为固定值袁V in 直接 环 节和参考电压发生环节袁可以基本实现对输入扰采样于输入电压袁因此可以看作是 一个电压前馈控 动的完全抑制并且消除了输出稳态误差遥 该策略可制环节遥 以 推广到单周期控制的其它应用场合遥 100 电 源 学 报 总第 47 期 图 6 改进型 单周期控制 Buck 变换器仿真波形参考文献院 converters J. IEEE Transaction on Power Electronics1 Zhou Xunwei Wong P L Xu Peng et al. Investigation of 1995 106:625-633. candidate VRM topologies for future micro processors J. 6 许振伟. 一种 新型 Buck 单周控制变换器J. 电力系统保 IEEE Transactions on Power Electronics 袁38渊4冤院98-102. 1171-1182. 7 王明渝袁马伟. 单周2000 15 2: 护与控制袁2010 期控制 DC/DC 变换器稳定性分析J.2 Zhou X Xu P Lee F C. A novel current -sharing control 电力电子技术袁2011袁45渊7冤院27-30. technique for low -voltage high -current voltage regulator 8 赵舒泽袁 尹少锋袁 陈申袁 等. 单周期控制结合 PI 控 制的 module applications J. IEEE Transaction on Power Elec鄄 Buck 电路的输出特 5冤院67-69.3 许性研究 J. 电力电子技术袁201145 tronics 2000 1511:1153-1162. 渊 峰袁 徐殿国袁 柳玉秀. 具有最优动态响应的 PWM 型 9 杨自力 蔡丽娟 许文香. 单周期技术和 PID 调节相结合 DC-DC 变换器非线性控制新策略 J. 中国电机工 程学 的控制方法研究J. 通信电源技术袁2007袁24渊5冤25-28. 报袁200323渊12冤 院133-139. 10 林维明袁郭晓君袁黄超. 改进单周期控制策略的双向大4 罗全明袁 周维维袁卢伟国袁等. 输出电压微分要单周控制 变 比 DC -DC 开 关 变 换 器 J. 中 国 电 机 工 程 学 报 袁 Buck 变换器J. 中国电机工程学报袁200828渊24冤 院7-12. 2012袁32渊21冤31-37.5 K M Smedley and S Cuk. One -cycle control of switching Line Regulation Improvement Strategy for One-cycle Controlled Buck Converters YANG Zheng1 XU Wen-Shang1 SHANG Shao-hua1 LI Di2 1. Shandong University of Science and Technology Qingdao Shandong 266590 China 2. Liaocheng Power Supply Corporation Liaocheng Shandong 252000 China Abstract院 It is found that one -cycle controlled Buck converter cannot completely eliminate line noise instead the outputvoltage has variable error when the input voltage varies. The reason of this problem was the hardware delay of its one -cyclecontroller. An improved control strategy was proposed. Theoretic derivation and simulation verification was given. Compared totraditional strategy it can eliminate line noise by adding an input voltage generator of regulator and a reference voltage generator in thecontrol loop. Key words院 one-cycle control buck converter line regulation hardware delay