基于PI控制的升降壓開關電源仿真研究

李繼嵐 吳曙光 韓冰 蔡雄友 李婉璐

摘要：針對小功率升降壓變換器在輸入電壓不穩定和負載存在變化的工況，以升降壓開關電源輸入電壓為5 ～ 10 V，且負載不大于2 A，輸出電壓為-25 V 為例，通過理論計算得到升降壓開關電源電感值、電容值，同時采用比例積分（proportional integral，PI）控制器設置參數。根據電源的輸入/ 輸出需求，在MATLABSimulink 中建立電路模型，實驗結果表明：設置電源的工作頻率為200 kHz，當電感電流在輸入電壓為5 V時，紋波率為0.4，輸出電壓紋波為1%。該電源輸出電壓紋波和電感電流的值與理論計算值一致且能夠滿足實際的工作要求。

關鍵詞：PWM；開關電源；PI 控制

中圖分類號：TN492；TB559 文獻標識碼：A

0 引言

隨著科技的進步，各種設備對直流穩壓電源需求不斷增大，其中的開關電源是非常重要的供電系統，其結構簡單，理論成熟度高[1]。直流—直流（direct current-direct current，DC-DC）變換器的主要發展趨勢包括工作在開關狀態下效率更高[2]、硬件組成更小、開關頻率更高[3]。目前升降壓變換器有許多控制算法。DC-DC 升降壓變換器可以采用雙線性模型表示非線性系統[4]。為了保證輸出電壓穩定，需要將非線性的系統進行線性化處理。采用的處理方法是在平衡點附近進行一階泰勒展開，然后根據線性系統模型設計控制器[5]。部分學者采用了傳統的比例積分微分（proportional integralderivative，PID）控制器[6-7]。有些專家和學者提出了一些非線性控制技術用于解決DC-DC 變換器輸出電壓不穩定的問題，如自適應技術[8]、自抗擾技術[9] 和滑模技術[10] 等控制方式。

基于系統實際工作的情況，本文采用比例積分（proportional integral，PI）控制器控制其電壓輸入和負載阻抗均在一定范圍內變化。根據電源設計理論[10] 計算變換器需要采用的電感值和耐受的電流值，根據紋波計算輸出電容器的電容值。實驗表明本文采用的PI 控制器結構簡單，理論成熟且控制效果較好，能夠豐富電源的理論研究和應用案例。