基于峰值電流模式的同步Buck變換器的數(shù)字控制

摘 要： 研究同步Buck變換器的連續(xù)時(shí)間模型和離散時(shí)間模型，分析了變換器工作于峰值電流模式控制下負(fù)載恒定和負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的閉環(huán)系統(tǒng)，應(yīng)用全狀態(tài)反饋設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的控制策略，使用PSPICE軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行搭建，仿真結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)極點(diǎn)的任意配置，而且能跟蹤參考給定值并實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。最后，用Matlab分析了與負(fù)載變化相關(guān)的閉環(huán)極點(diǎn)靈敏度。

關(guān)鍵詞： 同步Buck變換器； 極點(diǎn)配置； 峰值電流模式； 實(shí)驗(yàn)仿真

中圖分類號(hào)： TN624?34； TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0121?04

Abstract： Continuous?time state model and discrete?time model of the synchronous Buck converter are studied， the constant load and dynamic load of the close?loop system is analyzed which is controlled by peak current mode of the Buck converter. The close?loop system is designed based on the full?state feedback， the design circuit is constructed by PSPICE software， and simulation results show that： the output voltage is followed by the reference， the zero steady?state error is obtained， and the closed loop poles are arbitrarily placed， with the proposed dynamic tracking system. Finally， the sensitivity of the closed?loop poles with the relavant of load variation is analyzed by MATLAB software.

Keywords： synchronous Buck converter； pole?placement； peak current mode； experimental simulation

0 引 言

模擬控制器的生產(chǎn)廠商設(shè)計(jì)控制器一般采用電壓反饋的比例控制或是比例積分控制，其控制環(huán)路是基于相位裕度來(lái)衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種方法限制了根軌跡上的極點(diǎn)位置。 模擬控制器反饋上的局限性在采用全狀態(tài)反饋的離散狀態(tài)空間模型可以克服模擬控制器在反饋上的局限，可以在期望的位置上任意選取閉環(huán)極點(diǎn)，不僅解決了電流模式控制的不穩(wěn)定問(wèn)題，而且獲得了滿意的動(dòng)態(tài)特性。

1 變換器建模

1.1 連續(xù)狀態(tài)空間模型

同步整流Buck變換器主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通[ton]和關(guān)斷[toff]時(shí)間內(nèi)的等效電路如圖1和圖2所示，選取降壓變換器的狀態(tài)變量為電感電流[x1]和電容電壓[x2，]利用基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律，可以得到如下所示的Buck變換器導(dǎo)通和關(guān)斷期間的小信號(hào)狀態(tài)空間方程[1?2]，為使得到的模型更加精確，將開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通阻抗和電感寄生電阻考慮在內(nèi)。

4 仿真分析

實(shí)驗(yàn)中采用的MOSFET開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償部分電路如圖4～圖6所示，電感電流和輸出電壓都是在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通[ton]時(shí)刻被采樣，采樣電感電流和流過(guò)電感電流的最小值比較得到電感電流的狀態(tài)變量。同樣輸出電壓和參考電壓相減得到輸出電壓的狀態(tài)變量。圖7為負(fù)載從4 Ω變到3.75 Ω，又從3.75 Ω變到4 Ω的瞬時(shí)響應(yīng)。

可以看到輸出電壓在6 ms時(shí)刻輸出電壓經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整后又回到了額定電壓3.3 V，在10 ms從圖8電感電流的局部放大波形可以看出電感電流從6 ms時(shí)刻略微上升，流過(guò)電感的紋波電流為17 mA，滿足對(duì)最大紋波電流的設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于額定負(fù)載4 Ω，選取的閉環(huán)極點(diǎn)為{-0.6，0.4，0.9}，不改變計(jì)算得到的反饋增益，改變負(fù)載電阻得到不同的閉環(huán)極點(diǎn)位置。圖9所示為負(fù)載電阻從0.1～20 Ω變化所對(duì)應(yīng)的閉環(huán)極點(diǎn)幅值。

從圖9知道，虛線左側(cè)為系統(tǒng)不穩(wěn)定區(qū)域，對(duì)應(yīng)于負(fù)載電阻3.1 Ω。負(fù)載只有在[3.1～20 ]Ω范圍內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的。

5 結(jié) 論

本文推導(dǎo)了同步Buck變換器的連續(xù)狀態(tài)空間模型和小信號(hào)離散域模型，設(shè)計(jì)了基于峰值電流模式的動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)。通過(guò)采用全狀態(tài)反饋選取了合適的閉環(huán)極點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真不僅實(shí)現(xiàn)了負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)輸出能夠跟蹤參考給定值，而且驗(yàn)證了當(dāng)占空比大于50%時(shí)變換器是穩(wěn)定的。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖淼，彭詠龍，李亞斌.基于脈寬調(diào)制的新型電流型整流器研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005（B12）：29?33.

[2] 李冬超.一種電流模式同步整流降壓型DC?DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[3] OLIVA A R， ANG S S， BORTOLOTTO G E. Digital control of a voltage?mode synchronous buck converter [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2006， 21（1）： 157?163.

[4] VACCARO R J.Digital control a state?space approach [M]. New York： McGraw?Hill， 1995.

[5] SUMAN G， KUMAR B V S P， KUMAR M S， et al.Modeling， analysis and design of synchronous buck converter using state space averaging technique for PV energy system [C]// Proceedings of the 2012 International Symposium on Electronic System Design. Washington DC： IEEE Computer Society， 2012： 281?285.

[6] 闞明建，徐申，孫偉鋒.基于高開(kāi)關(guān)頻率精確模型的峰值電流型BUCK電源的補(bǔ)償設(shè)計(jì)[J].電子器件，2012（1）：65?69.

[7] 吳國(guó)營(yíng)，張波.電流模式變換器的完整小信號(hào)模型及環(huán)路補(bǔ)償[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（10）：83?87.

[8] 胡學(xué)武.用觀測(cè)器在位置系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)：工科版，2005，25（3）：36?40.

[9] 楊平，許建平，張士宇，等.峰值電流控制二次型Boost變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（5）：101?107.

[10] 曹文思，楊育霞.基于狀態(tài)空間平均法的BOOST變換器仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)，2007，19（6）：1329?1330.