平均電流模式PWM降壓開關電源設計探討

中國船舶重工集團公司第七一五研究所　馮永平

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平均電流模式PWM降壓開關電源設計探討

中國船舶重工集團公司第七一五研究所馮永平

【摘要】在通訊和電子等多個領域，PWM開關電源得到了廣泛的應用。而隨著電子產品對電源性能要求的提高，還要使用平均電流控制模式對電源進行高精度控制。因此，本文在分析開關電源控制方式的基礎上，對平均電流模式PWM降壓開關電源的設計問題展開了探討，從而為關注這一話題的人們提供參考。

【關鍵詞】平均電流模式；PWM；降壓開關電源；設計

0　引言

就目前來看，使用平均電流控制模式可以較好的進行PWM開關電源的精度控制。但是，使用該種控制模式，還要確保系統輸出電壓穩定，從而使系統具有良好的穩定性和動態響應特性。因此，有必要對平均電流模式PWM降壓開關電源設計問題展開探討，從而更好的完成開關電源的設計。

1　開關電源控制方式

開關電源其實就是一個能夠實現DC-DC變換的系統，由主電路和控制電路構成。而基于PWM控制的開關電源系統的功率開關動作將受到固定脈沖波控制，并且其脈寬將隨負載和輸入電壓值的變動而發生變化。針對使用PWM控制方式的開關電源，其控制電路需要進行開關管通斷的控制，以便通過調節輸出電壓控制主電路的工作。從控制參數選擇方面來看，電源的控制方式主要有兩種，即電流模式和電壓模式。其中，電流模式主要由平均電流模式和峰值電流模式構成。而平均電流模式能夠精確進行電流設定值的跟蹤，并且具有高增益電流放大器，能夠在任意電路拓撲上應用[1]。同時，該模式具有較強的噪聲一直能力，并且無須斜坡補償。所以，在設計開關電源時，可以優先選擇該種電源控制模式。

2　平均電流模式PWM降壓開關電源的設計

2.1系統設計思路

從根本上來講，平均電流控制模式就是通過將電壓電流平均值設置成電流控制內環的控制信號對開關電源進行控制的。在一個開關周期內，電感電流積分值將與電流平均值成正比。所以，通過控制電流積分值能控制電感電流的平均值。比如在Buck型開關電源中，輸入電壓維持恒定，所以可以忽略其輸出電壓的紋波。通過在電流控制環路中增設能夠進行積分調節的電流誤差放大器，就能夠實現平均電流控制。在每個開關周期內，可以根據該放大器的同向輸入端電壓確定平均電流設定值，然后通過檢測取樣電阻電壓信號求得電感電流實際值。將這些電流輸送至放大器，就能夠使電感產生高頻極點，繼而對電路的高頻噪聲進行抑制。而通過計算比例積分，并且選擇適合的電路參數，就能夠確?？刂齐娐返姆€定性。

2.2系統建模

在設計降壓型開關電源時，為了保持輸出電壓或電流的穩定，可以使用負反饋控制，并且以Buck型降壓電路為基礎模型。相較于采取峰值電流控制模式的PWM降壓開關電源，使用平均電流控制模式的PWM降壓開關電源需要在電流環路中增設電流調節器。在實現系統功率控制時，需要建立功率級模型。而該模型中含有多個輸出變量和輸入變量，分析的目的是得知占空比對輸出電壓和電感電流的控制關系，并且了解輸入電壓對二者的影響。就目前來看，不同類型的開關電源主電路連接方式不同，但是各物理量之間的關系在功率級電路中保持不變。所以，可以直接將開關級線性等效電路嵌入PWM降壓開關電源拓撲結構中，從而獲得功率級模型[2]。在此基礎上，可以進行系統控制回路的建模。而控制回路由電流檢測環節、電流調節器、電壓調節器、電阻分壓器和占空比調制器構成。其中，電流檢測環節由電流檢測放大器和電感元件串聯電阻組成，可以對閉環電壓進行放大。電流調節器由電阻電容網絡和運放構成，需要接收來自于電流檢測環節的兩個輸入信號，并且通過計算電流信號的運算關系進行電流的調節。在控制回路中，還需要利用占空比調制器接收調節器運算后輸出的電壓和斜坡輸入電壓，然后求得系統占空比變化量與電壓信號之間的關系。在該環節，電流斜率和幅度將發生改變，所以能夠實現對電流的控制。而通過求取各模塊的傳遞函數，就能夠得到如下圖1的平均電流模式PWM降壓開關電源系統模型。

圖1　平均電流模式PWM降壓開關電源系統模型

在電壓環處在開路狀態的情況下，可以用Ti(s)定義電流環的開環環路電流增益傳遞函數。而分析電流增益，可以為設定系統電流調節器的電路參數提供依據，繼而使系統更加穩定和快速。在電壓負反饋環斷開時，電流環路增益可以利用下式（1）計算。在電壓環斷開、電流環閉合的情況下，輸入信號為控制電壓vc，輸出信號為負載電壓v0，并且控制電壓可以控制負載電壓。利用建立的系統模型，可以進行電流環路增益的低頻增益、相位裕度和截止頻率的反映，可以使系統具有較高的精度[3]。在設計實際電路系統時，可以使實際電路結構與模型各環節一一對應，繼而使系統的設計保持較高精度。

2.3仿真分析

為了對系統模型的準確性進行驗證，可以使用Matlab模擬畫出系統控制電壓對輸出電壓控制傳遞函數Bode圖。采取上述方法，可以設計一個30V/50A的全橋開關電源，開關頻率為20kHz，輸入電壓變化率可達±10%。而電源的濾波電容為1000uF，濾波電感為1mH。如下圖2所示，開關電源相角裕度要大于45°，所以系統具有良好的穩定性。同時，系統穿越頻率較高，所以系統具有一定的快速性。此外，在向系統外加干擾電壓時，系統輸出電壓仍然能夠保持穩定[4]。因此，設計出的開關電源建立了穩定電壓，從而使系統具有了良好的穩定性和動態響應特性。

圖2　控制系統Bode圖

3　結論

總而言之，使用平均電流模式的PWM控制技術進行開關電源的設計，可以獲得一種基于平均電流PWM的降壓開關電源建模方案。在設計的過程中，可以通過建立功率級傳遞函數建立相應的系統模型，并且利用Matalb進行模型精確性的驗證，從而據此完成系統的設計。而通過驗證可以發現，平均電流模式PWM降壓開關電源具有良好的穩定性和動態響應特性。

參考文獻

[1]劉江,胡萍,何光俊.開關電源仿電流控制方法研究[J].通信電源技術,2010(2):18-22.

[2]李文曉,李宏.PWM開關電源全橋DC-DC變換器的建模與控制設計[J].工業控制計算機,2015(2):137-138+140.

[3]徐洪韜.一種平均電流控制型開關調節系統的建模[J].電子設計工程,2013(7):112-114.

[4]向敏,趙星宇.一種便攜式通信設備開關電源設計[J].科技視界,2014(2):54-55+244.