DC/DC開關電源控制方法小信號模型比較探析

袁志敏 方杰

摘? ?要：目前，開關電源最為常用的控制方法有兩種，分別為電壓型控制方法和電流型控制方法，前者響應速度較慢，后者相對穩定。因此，文章針對DC/DC開關電源控制方法小信號模型比較進行分析，對比分析了常見的控制方法后，設計出了通用模型，以達到最為理想的控制性能。

關鍵詞：DC/DC開關電源;控制方法;小信號模型;直流變換器

根據過往經驗，不同的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）開關電源控制方法所反饋的信號存在一定的差別，控制性能也各不相同。從目前研究討論的結果來看，常見的4種控制方法小信號模型表示方法各不相同，通過傳統的分析方式無法詳細比較控制性能，因此需要再建立一個通用模型，更好地進行分析比較。

1? ? 控制方法的比較分析

從DC/DC開關電源的控制方法來看，常見的有4種，分別為電壓型、電流型、電壓—電壓（Voltage-Voltage，V2）控制、電壓—電壓—電流（Voltage-Voltage-Current，V2C）控制。其中，前兩個是目前應用最為廣泛的控制方式。電壓型采用的是輸出電壓單環反饋，響應速度相對較慢;電流型的反饋控制量帶輸出電壓和電感電流兩個變量，相比于前者而言，讓輸出過流得到保護。而V2控制、V2C控制在實際應用過程中，前者和電流型控制方式相同，不僅做到瞬態響應，還能夠優化DC控制精度，提高負載動態響應速度。而后者在V2控制的基礎上，加入了電感電流反饋。綜合V2控制和電流型控制方法，響應速度得到進一步提高，并且提升了自身的抗干擾能力。但實際上，上述比較并不能夠真實地反應出實際效果，還需要借助小信號模型對V2控制、V2C控制等方式的特點進行綜合性研究分析。從前期分析結果來看，V2控制、V2C控制比電壓型、電流型控制方式更加優秀，而且其抗干擾能力更強[1]。

2? ? 通用模型的建立研究

通過上述對電壓型、電流型、V2控制、V2C控制4種方法進行簡單分析后，對不同控制方法的優缺點有了簡單的了解，但是要想對其中的控制性能進行深層次的比較分析，還需要建立起通用的小信號模型。根據研究結果，在4種控制方法中，無延遲監測反饋回來的數據顯示，模型中只有輸入電壓、輸出電壓、電感電流這3種變量，因此，用小信號模型可以科學地判斷控制情況。首先，要結合電壓型、電流型、V2控制、V2C控制的控制方法原理來確定參數數值。其次，根據每種控制方法的參數數值，結合Buck變換器設計出小信號通用模型框圖。最后，根據DC/DC變換器小信號建模來進一步研究穩定性和瞬態響應。這種模型可以針對一個周期內開關管導通和關斷兩種狀態，建立平均狀態方程，還能夠設計仿真控制環路幅頻特性和相頻特性。作為分析電路的基本方法，在實際應用過程中，小信號模型分析可以更好地找出電路中的特殊部分，尤其是在較為復雜的電路中，利用這一模型進行分析，能夠得到具體可行的電路交流指標，結合指標數據就能夠找出最符合當前要求的通用模型數據，為后續的比較分析奠定基礎[2]。

3? ? 控制方法的函數分析

基于上述所得到的DC/DC開關電源控制方法小信號模型，展開具體的比較分析，找出最優的控制方式。從模型比較情況來看，在4種控制方式中，電壓型控制方法對輸入電壓和負載突變的響應速度都很慢，其本身就只有一個輸出電壓反饋環，任何變量都沒有延遲的反饋控制，因此，只有唯一的反饋環路具有積分環節。反觀電流型控制方法，在引入了兩個變量后，實現了無延遲負反饋，尤其是在輸入電壓加入后，無延遲前饋直接讓響應速度加快，但是從模型中的數據情況來看，雖然響應速度得到優化改善，但是負載擾動的響應特性并沒有發生變化。相比于電壓型和電流型這兩種控制方式而言，V2控制、V2C控制是建立在電流型控制方式基礎上的，尤其是V2C控制綜合了前三者的優點，讓負載擾動的響應特性得到了真正的發展。從V2控制來看，同樣是引入了兩個變量，響應速度也得到了提高，同時結合本身的特點，負載擾動的響應特性也得到了真正的發展。但是，因為控制電流失去了對電感電流的控制，所以無法實現過流保護。相比較而言，V2C控制有效解決了上述幾種控制方式中存在的問題，利用獨立參數，提高參數自由度，不僅控制效果良好，響應速度也相對較快，符合DC/DC開關電源控制的實際需求。

根據模型比較結果，在4種控制方法中，V2C控制效果最優。在此基礎上，還要對傳遞函數進行比較，根據具體計算，進一步驗證上述幾種控制方法的特點和性能。在所有控制方法中，Buck變換器傳遞函數均為二階系統，根據具體的公式可以求出無阻尼自然頻率和阻尼比。通過數值之間的比較，得到了以下結論：在電壓型控制下，Buck變換器會得到一個非常復雜的二階系統，而在電流型控制下則會得到一個低頻極點和高頻極點分開存在的系統，V2控制也是一個復合極點的二階系統，但是無阻尼振蕩頻率更高，而V2C控制和電流型控制方法相似，但低頻極點和高頻極點的距離較近，想要調整極點位置也更加容易。總的來說，V2C控制不僅具備了V2控制的良好瞬態特性，同時也實現了過流保護。

4? ? 結語

在DC/DC開關電源控制方法小信號模型比較過程中，發現不同控制方法的優缺點各不相同，需要根據實際情況進行具體的選擇。根據不同控制方法的傳遞函數以及具體數值的比較情況，V2C控制可以更加方便地調整兩個極點的位置，也能夠滿足開關電源控制的實際需求。

[參考文獻]

[1]梁廷魁.基于單片機控制的程控開關電源研究[J].南方農機，2019（21）：248.

[2]蘇毅，王飛風，蘆宇峰，等.開關特性試驗多功能綜合輔助電源裝置的研究[J].電氣開關，2019（1）：75-77，81.