基于PID算法的DC-DC電源負載調整率改進研究

李培正，張 勝，陳志威

(南京郵電大學光電工程學院，江蘇南京210046)

基于PID算法的DC-DC電源負載調整率改進研究

李培正，張 勝，陳志威

(南京郵電大學光電工程學院，江蘇南京210046)

負載調整率是直流電源的一個重要參數，負載調整率的高低決定了整個系統的性能。研究了LM2577升壓芯片的內部結構及性能參數，在此基礎上，提出了兩種提高其負載調整率的新方法：(1)在LM2577反饋腳接入可程控數字電位器，代替原固定電阻，用AD采樣輸出電壓的變化，通過反饋算法調節數字電位器的阻值，保持輸出電壓穩定，進而提高其負載調整率；(2)在LM2577反饋腳接入加法器，加法器的輸入端分別由輸出電壓分壓端和受單片機控制的DA提供，單片機通過采樣輸出電壓來調整DA的輸出，進而實現輸出電壓的穩定，提高負載調整率。為了縮短調整時間，提高控制效率，軟件部分采用了PID控制算法。經測試，在5 V輸入、600 mA負載條件下，設定輸出為7 V，方法1和方法2升壓電路的負載調整率從1.043%分別提升到0.700%及0.042%；而設定輸出為12 V時，負載調整率從0.658%均提升到0.008%。同時，方法2的輸出電壓紋波在10 mV以內。

升壓；反饋；PID；負載調整率

近年來DC-DC電源在日常生活和電子設備中得到了廣泛應用，其主要功能是將前級電源的直流電通過一定的電壓變化后提供給后級使用。隨著應用的不斷深入，人們對電源的參數要求也越來越高。電源的最重要參數是輸出電壓的穩定性，反映輸出電壓穩定性的主要參數為電壓調整率和負載調整率。無論是分立元件電源，還是集成芯片電源，都在努力提高其輸出電壓的穩定性[1]，但由于DC-DC電源不是理想的電壓源，受加載效應的影響，輸出電壓或多或少會隨著負載的增大而降低。隨著開關電源芯片設計和生產工藝的提高，其負載調整率雖有改善，但總體來看還是不盡如人意。本文以市面上常見的LM2577升壓芯片為例[2]，深入研究了其內部結構及性能指標，按照數據手冊上給出的推薦參數進行電路設計和測試，測量了其在輸入電壓為5 V、負載電流600 mA、輸出電壓分別為7和12 V時的負載調整率，其負載調整率大于0.658% (見表1)，輸出電壓的穩定性不太理想。為了得到穩定的電壓輸出，一些研究人員在集成電路級對電源結構進行改良[3]，也有從板級電路研究使用模擬控制使電路穩定工作的方法[4]。但由于造價跟電路結構的問題，一直未能大規模應用。本文提出了兩種提高其負載調整率的新方法：(1)在LM2577反饋腳接入可程控數字電位器，代替原固定電阻，用AD采樣輸出電壓的變化，通過反饋算法調節數字電位器的阻值，保持輸出電壓穩定，進而提高其負載調整率；(2)在LM2577反饋腳接入加法器，加法器的輸入端分別由輸出電壓分壓端和受單片機控制的DA提供。單片機通過采樣輸出電壓，來調整DA的輸出，進而實現輸出電壓的穩定，提高負載調整率，取得了較好的效果。

表1 5 V輸入電壓和不同輸出電壓的負載調整率

1 提高LM2577負載調整率的方法

1.1 LM2577電路原理及負載調整率測試方法與結果

圖1為商家數據手冊提供的LM2577的參考電路圖。

圖1 LM2577參考電路

由其數據手冊給出輸出電壓計算公式：

該電路的負載調整率測試方法為：當輸出電流為0時，測得輸出電壓為，設定輸出電流600 mA，測得輸出電壓為，則電壓調整率計算公式為：

按照數據手冊給出的參考電路，進行電路設計與制作，測量5 V輸入條件下，7與12 V輸出時的負載調整率(負載電流最大600 mA)，測量結果如表1所示。

1.2 方法1(基于數字電位器反饋電路的提高負載調整率方法)

LM2577電路輸出電壓不穩定，負載調整率低的主要原因是反饋電路不能智能調整，當R1、R2設定后就保持不變。因為本文首先想到的思路是，R1改用阻值可以程控的數字電位器，在輸出電壓隨負載變化時，通過調整數字電位器的阻值，來保持輸出電壓的穩定，進而提高其負載調整率。其電路原理如圖2所示。電路采用10位數字電位器(AD5293)作為反饋調整電阻，同時單片機通過ADS1115采樣檢測輸出電壓，并通過計算確定數字電位器阻值的變化情況，以穩定輸出電壓。

圖2 方法1系統電路

1.3 方法2(基于DA反饋電路的提高負載調整率方法)

根據LM2577工作原理，其控制引腳2的電壓值為固定1.23 V，理論上來說，輸出電壓的大小完全由分壓電阻R1、R2分壓比決定，和負載大小無關，也即負載調整率為0，但實際應用時，由于LM2577內部運放的放大倍數不是無窮大、芯片內部器件及外圍分壓電阻的不穩定等影響，導致輸出電壓不穩定，進而導致電壓調整率變大。本文提出在LM2577反饋控制引腳2上疊加一個可程控的電壓信號()，這樣就可以通過改變這個電壓的大小，實現改變LM2577輸出電壓大小的功能。實際電路中，采樣輸出電壓的大小，反饋給微處理器，然后通過DA調整控制電壓，進而實現輸出電壓的穩定，提高電路的電壓調整率。

按照LM2577手冊給出的電路連接電路，并保持自身反饋回路不變，在其反饋腳用同向加法器加入受單片機控制DA的電壓，實現輸出電壓的數字控制，為了精確控制輸出電壓，在數字反饋回路中選用12位AD(ADS1115)與12位DA (TLV5638)，總體電路如圖3所示。

圖3 方法2系統電路

為了設定輸出電壓時，單片機能夠更快速地設定DA初值，本文測量了DA輸出電壓與電源輸出電壓之間的對應關系，并進行了兩者關系擬合，如圖4所示。

擬合后，數學表達式為：

1.4 PID算法及其在本文中的應用

在過程控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID算法是應用廣泛的一種控制算法[5]，PID算法的一般算式及模擬控制規律表達式為：

圖4 DA電壓與輸出電壓的關系

因為單片機是通過軟件實現其控制算法，不能對積分和微分項直接準確計算，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，故必須對模擬調節器進行離散化處理，用離散的差分方程來代替連續的微分方程，其基本思想是當采樣時間很短時，可用一階差分代替一階微分，用累加代替積分。即：

由此可得離散PID算法表達式如下：

兩式相減，得：

當用戶設定一個輸出電壓時，算法根據事先擬合出來的關系曲線，先大致確定一個與設定電壓對應的數字電位器或DA的輸出量，以使輸出迅速向設定電壓靠近，這類似于粗調；粗調完成后，再根據采樣得到的誤差值基于PID算法對數字電位器或DA的輸出量進行調整，實現輸出電壓的穩定。

2 實驗數據

2.1 負載調整率測量

按照上述設計進行實物制作，在5 V輸入電壓下，利用本文1.1節中的測試方法，基于方法1的負載調整率如表2所示。

同樣，基于方法2的負載調整率如表3所示。

表2 利用方法1時不同輸出電壓的負載調整率

表3 利用方法2時不同輸出電壓的負載調整率

2.2 不同輸出電壓時不同系統帶載電壓變化情況測試

在輸入電壓為5 V時，針對輸出電壓為7和12 V兩種情況，分別測量數據手冊參考電路、方法1(基于數字電位器反饋系統)、方法2(基于DA反饋系統)這三種不同系統的帶載電壓變化情況，如圖5、圖6所示。圖中最上方虛點線表示方法1(基于數字電位計反饋系統)在負載不斷增大的過程中，升壓電路輸出電壓的變化情況；中間黑實線表示方法2(基于DA反饋系統)在調節負載的過程中，輸出電壓的變化情況；最下方點劃線表示按照數據手冊參考電路連接電路時，在負載變化過程中，輸出電壓的變化情況。

圖5 輸出電壓為7 V時不同電路輸出電壓帶載變化情況

可以看出，在同樣的測試條件下，對數據手冊上所給出的參考電路，當負載增大時，輸出電壓明顯減小，而基于數字電位器反饋的系統與基于DA反饋的系統都起到了穩定輸出電壓的作用。由于受數字電位器精度的限制，相較于方法1，利用方法2當負載變化時，輸出電壓更加穩定。

3 結論

本文提出了兩種提高電源輸出電壓穩定性、改善負載調整率的方法，對兩種方法進行數據測試，當設定輸出為7 V時，方法1和方法2升壓電路的負載調整率從1.043%分別提升到0.700%及0.042%；而設定輸出為12 V時，負載調整率從0.658%均提升到0.008%，從而證明了這兩種方法的合理性，對開關電源負載調整率的提升具有參考意義。

圖6 輸出電壓為12 V時不同電路輸出電壓帶載變化情況

[1]王其崗，榮焱.開關電源穩定性設計[J].電源技術應用，2008(6)：1-5.

[2]蔣玉萍.簡易型多功能開關變換控制器LM2577在開關電源中的應用[J].電源世界，2007(7)：48-51.

[3]徐祥柱，王易，陳程，等.一種DC/DC斜坡補償電路的設計[J].中國集成電路，2011(7)：31-36.

[4]艾國昌.數字控制型雙向DC/DC變換器的研究[D].葫蘆島：遼寧工程技術大學，2009.

[5]徐鋒，張嫣華.數字控制系統的PID算法研究[J].機床電器，2008 (6)：8-10.

Improvement of load regulation of DC-DC power supply based on PID algorithm

As one of the most important parameters of direct current(DC)power supply,load regulation determines the performance of whole system.The internal structure as well as performance parameters of LM2577 boost converter was investigated and two new methods of improving its load regulation were proposed based on this investigation.One method(method 1)was to replace the resistor by connecting a programmable potentiometer to the feedback pin of LM2577 and sample the variation of output voltage using an AD converter.The potentiometer was adjusted under the control of feedback algorithm to keep the output voltage stable, thus the load regulation was enhanced.In the other method(method 2),an adder was connected to the feedback pin of LM2577 to stabilize the output voltage of DC power supply and increase the load regulation.A voltage divider made up of resistors divided the output voltage and provided the divided voltage to one input of the adder.The other adder input came from DA converter controlled by microcontroller.To reduce the adjust time and increase the efficiency,PID algorithm was applied in the software part of the system.12-bit AD(ADS1115),12-bit DA(TLV 5638)and 10-bit programmable potentiometer(AD5293)were used to test the methods above under the condition of 5 V input voltage and 600 mA load current.When output is set to 7 V,the load regulation is improved from 1.043%to 0.700%and 0.042%by applying the first and second method,respectively.When output voltage equals 12 V,the improvement is from 0.658%to 0.008%.Meanwhile,the method 2 suppresses output voltage ripple to be less than 10 mV.

boost;feedback;PID;load regulation

TM 547

A

1002-087 X(2016)06-1286-04

2015-12-12

國家自然科學基金(31272511)

李培正(1992—)，男，江蘇省人，學士，主要研究方向為信號檢測與信息處理。

張勝