一種平均電流控制型開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模

摘要：文中對(duì)BUCK型DC—DC變換器進(jìn)行了系統(tǒng)建模。為了得到包含平均電流調(diào)節(jié)開關(guān)控制方式的雙環(huán)控制系統(tǒng)的簡化模型，提出了一種電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)的近似函數(shù)，并分別對(duì)電流控制器，電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和功率級(jí)進(jìn)行了建模，采用Mathcad進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)相位裕度達(dá)到54°的結(jié)果。
關(guān)鍵詞：BUCK型DC—DC；平均電流控制；建模分析；相位裕度

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過控制功率管導(dǎo)通和關(guān)斷，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，一般由控制芯片和功率器件(功率MOS FET或IGBT)構(gòu)成。開關(guān)電源具有集成度高、外圍電路簡單、電源效率高等優(yōu)點(diǎn)，在各種電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。因此對(duì)開關(guān)電源的建模提出了很高的要求。文中提出了針對(duì)BUCK型的平均電流控制型開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模分析，運(yùn)用Mathcad建模工具對(duì)其進(jìn)行仿真，使其開關(guān)電源系統(tǒng)最終相位裕度達(dá)到54°。

1 平均電流控制性開關(guān)電壓基本原理
開關(guān)電源調(diào)節(jié)控制模式一般分為電壓型和電流型。對(duì)于電壓型控制開關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)，其工作原理是當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，其經(jīng)過電壓采樣網(wǎng)絡(luò)得到電壓信號(hào)作為反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)中只有反饋電壓環(huán)，因此也被稱為單環(huán)控制系統(tǒng)。單環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便，但是當(dāng)系統(tǒng)受到某種干擾時(shí)，系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)量均會(huì)發(fā)生變化，但是由于單環(huán)工作原理，系統(tǒng)必須等到輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，控制網(wǎng)絡(luò)才能起作用，從而造成開關(guān)電源的效率降低。針對(duì)以上問題，文中提出了一種平均電流控制的BUCK型雙環(huán)開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。圖中是系統(tǒng)采用雙環(huán)控制原理，分為電流內(nèi)環(huán)控制和電壓外環(huán)控制，通過直接串聯(lián)電阻，對(duì)電感電流實(shí)時(shí)采樣，將信號(hào)連接于電流控制器的反相端，同時(shí)電壓外環(huán)采用帶有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的誤差放大器，其輸出的誤差電壓連接到電流控制器的正端，再對(duì)電流控制器進(jìn)行積分處理，實(shí)現(xiàn)平均電流控制，其得出的信號(hào)與鋸齒波通過PWM比較器進(jìn)行比較，從而通過驅(qū)動(dòng)電路完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。

2 平均電流建模分析
根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，電流采樣電阻Rs=0．1 Ω，開關(guān)頻率fs=500 kHz，輸出電容為C=220μF，ESR電阻為Rc=0．15 Ω，電感L=47μH，輸入電壓為10 V，輸出穩(wěn)定在8 V，鋸齒波的峰峰值VM=5 V。文中根據(jù)上述指標(biāo)用Mathcad對(duì)整個(gè)平均電流控制型DC—DC進(jìn)行建模分析。其中Rc電阻為電容的寄生電阻。
2．1 平均電控制模式電流環(huán)閉環(huán)分析
電流控制環(huán)是由部分開關(guān)變換器、電流采樣器、電流控制器和開關(guān)控制器等組成，因此可以把電流控制環(huán)等效為一個(gè)新的功率級(jí)，等效功率級(jí)與電壓控制器組成了電壓控制環(huán)。電流控制環(huán)是內(nèi)環(huán)，實(shí)現(xiàn)電流自動(dòng)控制；電壓控制環(huán)是外環(huán)，實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)。
2．2 電流控制器設(shè)計(jì)
根據(jù)上面的指標(biāo)參數(shù)，可以確定電流補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在開關(guān)頻率處的最大放大倍數(shù)：

根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，希望在直流頻率點(diǎn)附近，系統(tǒng)的增益要很大，在中頻段其幅頻特性的下降頻率應(yīng)為-20 dB／dec，在高頻階段，為了有效的抑制噪聲，通常將高頻極點(diǎn)fp設(shè)置在開關(guān)頻率處或低于開關(guān)頻率。從而在確定低頻零點(diǎn)頻率fz和高頻極點(diǎn)頻率fp，根據(jù)電容電阻反饋網(wǎng)絡(luò)公式，得出以下方程：

2．3 平均電流控制模式電流環(huán)的閉環(huán)分析
在上述分析中，將電流控制內(nèi)環(huán)等效成一個(gè)功率級(jí)，其電流環(huán)閉環(huán)框圖如圖2所示。

2．4 閉環(huán)傳遞函數(shù)的簡化模型
從上式中可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)為一個(gè)高階系統(tǒng)，對(duì)于分析和設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，因此本文提出了一個(gè)近似模型。用一個(gè)雙極點(diǎn)模型來近似取代閉環(huán)傳遞函數(shù)，并通過Mathcad仿真后，其所得的圖像如圖3所示，近似逼近模型函數(shù)：


分析兩個(gè)仿真結(jié)果可知：在低頻下，2個(gè)函數(shù)圖形基本可以等效，在高頻下，誤差隨著頻率的增加而相應(yīng)的變大。因此近似模型可以作為閉環(huán)的模型。(其中圖中的為電流控制環(huán)的原函數(shù)圖形，為電流控制環(huán)的近似模型)
2．5 功率級(jí)的等效模型
等效功率級(jí)是由電流控制環(huán)及其負(fù)載組成，其框圖如圖4、5所示。

2．6 電壓補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，是由電流環(huán)控制等效成的一個(gè)新的功率級(jí)和電壓外環(huán)組成。電壓外環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)如圖6所示。

傳遞函數(shù)為：

因?yàn)榈刃Чβ始?jí)具有3個(gè)極點(diǎn)和1個(gè)零點(diǎn)，因此采用圖6所示的雙極點(diǎn)一雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)作為電壓控制器。其中令第一個(gè)極點(diǎn)fp01抵消等效功率級(jí)的ESR零點(diǎn)fz，第二個(gè)極點(diǎn)fp02=fs，來增加高頻時(shí)的噪聲抑制，第一個(gè)零點(diǎn)fz01抵消等效功率級(jí)的fp1，第二個(gè)零點(diǎn)fz02=fp2，來抵消電流環(huán)的另一個(gè)極點(diǎn)。
開關(guān)電源系統(tǒng)最終傳遞函數(shù)為：

2．7 開環(huán)傳遞函數(shù)的仿真結(jié)果
根據(jù)上面的傳遞函數(shù)公式和本文中給出的參數(shù)，通過Mathcad仿真，可以得出其系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，如圖7、8所示。計(jì)算可得系統(tǒng)中近似模型的相位裕度達(dá)到了54．022°系統(tǒng)的原函數(shù)的相位裕度為53．595°，均達(dá)到工程要求。兩者相位裕度僅相差0．427°，誤差相對(duì)較小，并且運(yùn)用近似模型給整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很大的便利。

由圖可見：
在低頻段，幅頻特性的下降斜率為-20 dB／dec，在低頻處存在一個(gè)零極點(diǎn)，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差等于零。
在中頻段，幅頻特性的下降頻率為-20 dB／dec，系統(tǒng)有足夠的相位裕度，所以電壓控制環(huán)一定是穩(wěn)定的。
在高頻段，幅頻特性的下降斜率為大于或等于-40 dB／dec，系統(tǒng)具有很高的抗噪聲能力。

3 結(jié)論
文中通過對(duì)BUCK型DC—DC建模，提出了一種平均電流模式的開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單環(huán)電壓式控制，其可以得到更好的動(dòng)態(tài)性能。為了設(shè)計(jì)更加簡便，提出了電流模式的近似函數(shù)，經(jīng)過最終的仿真，其相位裕度達(dá)到54°，滿足DC—DC穩(wěn)定性的要求。該設(shè)計(jì)采用雙環(huán)控制的方法，有效的增加了開關(guān)電源的穩(wěn)定效率，使得外部影響因素減小。采用Mathcad建模工具，在項(xiàng)目參數(shù)要求下，很好的確定了其雙環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到了項(xiàng)目的指標(biāo)要求。