基于PWM控制的開關(guān)電源技術(shù)研究

徐 頌

上海肯汀通訊科技有限公司 201101

基于PWM控制的開關(guān)電源技術(shù)研究

徐 頌

上海肯汀通訊科技有限公司 201101

本文提出一種PWM模式的升壓型開關(guān)電源電路。利用狀態(tài)空間平均建模的方法對Boost電路進行詳細的數(shù)學(xué)建模，在MATLAB軟件平臺對采用狀態(tài)空間平均法的Boost模型和Boost電路的實際模型進行仿真，并對仿真結(jié)果進行了比較，仿真結(jié)果表明PWM控制的Boost電路具有更優(yōu)越的控制效果。

PWM控制模式；狀態(tài)空間平均法；boost電路

一、引言

隨著電力電子技術(shù)的長足發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，與此同時電源技術(shù)的發(fā)展也有很大進步，電源是對公用電網(wǎng)或某種電能進行變換和控制的供電設(shè)備，能夠向各種用電設(shè)備提供優(yōu)質(zhì)電能。電源在電子電路中起著舉足輕重的作用，它是整個系統(tǒng)的心臟部位，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。電源可分為傳統(tǒng)線性電源和開關(guān)電源，對傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源存在效率低、損耗大、體積大、調(diào)整范圍小以及工作穩(wěn)定高等一系列問題，人們研制出開關(guān)穩(wěn)壓電源，使得電源管理芯片進入到一個嶄新的時代。開關(guān)電源自產(chǎn)生以來，已經(jīng)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線性電源而得到廣泛的應(yīng)用。開關(guān)電源又稱作開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，其效率可達85%以上，體積小、重量輕，非常適用于各種便攜式電子設(shè)備中，其次開關(guān)電源還有功耗低、效率高、發(fā)熱量小、系統(tǒng)穩(wěn)定性好的優(yōu)點。開關(guān)電源按照電源的類型可以分為AC/ AC電源、DC/DC電源、AC/DC電源和DC/AC電源。其中DC/DC型開關(guān)電源現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化，它的功率調(diào)整器件工作在截止區(qū)飽和導(dǎo)通區(qū)，起到一個開關(guān)的作用。目前DCDC開關(guān)電源的需求也越來越大，其性能要求也越來越高。PWM控制技術(shù)是以沖量相等而形狀不同的窄脈沖代替正弦波，按照一定的采樣規(guī)則對各個脈沖進行調(diào)制，從而的得到開關(guān)管所需的觸發(fā)脈沖，以此改變電路輸出電壓大小和輸出頻率。隨著PWM技術(shù)、微電子技術(shù)以及自動控制技術(shù)的發(fā)展，PWM控制技術(shù)獲得空前的發(fā)展，相應(yīng)的PWM控制技術(shù)的改進在開關(guān)電源的應(yīng)用方法具有十分重要的現(xiàn)實意思。與傳統(tǒng)開關(guān)電源相比，PWM控制的開關(guān)電源具有提高功率因素和抑制諧波能力的優(yōu)點。由于開關(guān)電源本質(zhì)上是一個離散的、非線性系統(tǒng)，所以要建立統(tǒng)一的傳函在實現(xiàn)上很困難。本文在深入分析PWM控制的開關(guān)電源的基本原理的基礎(chǔ)上，在理想條件下，運用狀態(tài)空間平均法建立Boost電路的數(shù)學(xué)模型，并利用MATLAB軟件對模型進行仿真，并將仿真結(jié)果與實際PWM控制的DC/DC模式的輸出波形進行對比分析，結(jié)果表明基于PWM控制的DC/DC開關(guān)電源具有更好性能，這對于提高控制系統(tǒng)的性能具有現(xiàn)實意義和研究價值。

二、開關(guān)電源工作原理

開關(guān)電源以半導(dǎo)體器件作為開關(guān)器件，通過控制開關(guān)管開通和關(guān)斷占空比，來保證輸出電壓穩(wěn)定的電源。利用功率開關(guān)管和儲能元件共同實現(xiàn)開關(guān)管開通和關(guān)斷時刻，能量的轉(zhuǎn)換即：在開關(guān)管開頭時間里，電感從輸入電壓源獲取能量，并以電磁能的形式儲存起來；在開關(guān)管關(guān)斷時間里，電感釋放所獲取的能量并提供外部電路使用。開關(guān)電源主要由四個主體部分組成：輸入回路、功率變換電路、輸出回路和控制電路典型的開關(guān)電源原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。開關(guān)電源的工作原理可以分為如下幾分：1、流輸入電源經(jīng)過輸入回來進行經(jīng)濾波、整流得到較為平滑的直流電壓；2、經(jīng)過輸入回路處理過的直流高電壓再通過功率變換電路變換為高頻脈沖電壓，然后將此方波電壓經(jīng)輸出回路二次整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷翰⑤敵觯?、高頻脈沖電壓通過輸出回路逆變?yōu)V波為穩(wěn)定的直流輸出電壓；4、采樣電路對輸出電壓進行檢測和采樣，經(jīng)過控制電路對功率開關(guān)管的觸發(fā)脈沖進行調(diào)制，從而調(diào)整開關(guān)管的開通時間，以穩(wěn)定輸出流電壓。開關(guān)電源功率開關(guān)器件處于開關(guān)工作狀態(tài)，其導(dǎo)通時的管壓降非常小，可以近似不消耗能量，其關(guān)斷時漏電流很小，也近似為不消耗能量，所以開關(guān)電源的功率轉(zhuǎn)換效率非常高。

三、開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC/DC型開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有降壓型（Buck）、升壓型（Boost）以及降壓升壓型（BuckBoost）型，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示：圖2（a）為BUCK型電路。可以通過調(diào)整PWM占空比的大小，來獲得任意大于輸入電壓的輸出電壓。圖2（b）為Boost電路可以得到任意小于輸入電壓的輸出電壓。圖2（c）為Buck—Boost電路，此電路可以獲得大于或小于輸入電壓的輸出電壓。

四、PWM調(diào)制模式

開關(guān)電源調(diào)制方式主要有四種調(diào)制方式包括：脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）、脈沖周期調(diào)制（PSM）和混合調(diào)制方式。其中脈沖寬度調(diào)制（PWM）是開關(guān)電源中最為常用的控制方式，也是易于控制的一種方式，因為其開關(guān)頻率固定，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比，從而實現(xiàn)對開關(guān)管通斷的控制，以達到輸出電壓的控制。PWM的工作原理：是在輸入電壓、內(nèi)部參數(shù)及外部負(fù)載變化時，將基準(zhǔn)信號與控制信號的差值進行閉環(huán)控制，來調(diào)節(jié)主電路開關(guān)管的導(dǎo)通脈沖寬度，來使開關(guān)電源的輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)電源PWM控制電路根據(jù)不同的反饋形式及不同的反饋取樣信號，可以分為電壓控制模式和電流控制模式兩種。

（一）電壓型PWM控制。電壓PWM控制將輸出電壓反饋與給定值進行比較輸出PWM開關(guān)管開通觸發(fā)信號，進而控制輸出電壓的控制模式，其電路原理圖如圖3所示。

電壓型PWM控制電路是一種單環(huán)控制系統(tǒng)，包含一個電壓反饋電路。采樣電路從輸出電壓采取電壓反饋信號，并且對其進行處理以改變開關(guān)關(guān)占空比，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。通過規(guī)則采樣法或自然采樣法對輸出電壓Vout進行采樣，Vout經(jīng)分壓后送入誤差放大器的反相輸入端，與參考電壓Vref進行差值放大，得到誤差輸出電壓Ve，誤差輸出電壓Ve和載波信號經(jīng)過PWM比較器進行比較，得到一系列脈沖控制信號。當(dāng)鋸齒波信號高于Ve=大于載波信號時時，脈沖輸出信號為高電平，反之為低電平，進而控制了電源的輸出。電壓型PWM控制模型工作波形如圖4所示。

電壓控制模式的優(yōu)點是抗噪聲能力強，對于多路輸出電源之間的互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好，占空比調(diào)節(jié)不受限制，對輸出負(fù)載變化有較快的響應(yīng)速度。它的缺點是只有電壓反饋回路沒有電流環(huán)，對于穩(wěn)壓電源來說，要不斷地調(diào)節(jié)輸入電流，以滿足輸出電流的變化和負(fù)載變化以穩(wěn)定輸出電壓。

（二）電壓型PWM控制。為了彌補電壓型PWM控制模式的不足，產(chǎn)生了電流型PWM控制模式。電流型控制模式是采用電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在電壓控制模式基礎(chǔ)上加入電流內(nèi)環(huán)控制。電流反饋信號取自輸出電流，其電路原理圖如圖5所示。

電流型PWM是一種雙閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電路包含了一個電壓反饋環(huán)路和電流反饋環(huán)路。在電流控制模式中，輸出反饋電壓Vfb與基準(zhǔn)電壓的差值經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到輸出電壓基準(zhǔn)值Ve，與反饋輸入電壓Vs進行PWM調(diào)制。當(dāng)Vs值大于Ve時，PWM比較器翻轉(zhuǎn)，以此調(diào)節(jié)開關(guān)管驅(qū)動脈沖的占空比，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定，電流PWM模式工作波形如圖6所示：電流控制模式有效解決了系統(tǒng)響應(yīng)速度慢及電壓模式控制產(chǎn)生的負(fù)載調(diào)整補償問題。電流控制模式對輸入電壓變化起前饋控制作用，即在輸入電壓變化還未導(dǎo)致輸出電壓改變時，電流內(nèi)環(huán)就起到調(diào)節(jié)作用。電流內(nèi)環(huán)具有快速的響應(yīng)時間，它相對于電壓外環(huán)是起到一個受控放大器的作用。由于整個系統(tǒng)有響應(yīng)速度快和穩(wěn)定性高的特點，所以反饋回路的增益比一般PWM系統(tǒng)高很多。電流型PWM控制模型具有一定的優(yōu)點：PWM具有良好的開環(huán)線形調(diào)整；由于采用單極點控制，因而具有良好的小信號穩(wěn)定性能，對負(fù)載調(diào)整具有較好的補償作用且具有優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)特性。同時也具有一定的缺點：出現(xiàn)次諧波不穩(wěn)定狀況時，需要有斜坡補償；負(fù)載調(diào)整差；噪聲抑制差；峰值電流與平均電流有很大的誤差。

五、理想Boost開關(guān)電源數(shù)學(xué)模型的建立

在理想條件下，當(dāng)電感L的電流i（t）連續(xù)時，Boost電路的一個開關(guān)周期可以分為兩個階段。如圖7所示。設(shè)Boost變換器的輸入電壓為vg（t），輸入電流為ig（t），電感電流為vg（t），電感電壓為vl（t），電感的電流i（t），為電容電壓為v（t），電容電流為ic（t）。取狀態(tài)變量為，輸入變量為，輸出變量為

t+dTs~t +Ts時間段，描述電路瞬時狀態(tài)的方程為：

因為

代入公式得

Boost電路的小信號方程表示為：

六、仿真及結(jié)果分析

（一）狀態(tài)空間平均法仿真。利用MATLAB對理想狀態(tài)條件下Boost開關(guān)電源采用狀態(tài)空間平均法得到的數(shù)學(xué)模型進行仿真驗證，其模型如圖8所示。設(shè)置電路參數(shù)為：

（二）Boost開關(guān)電源實際電路仿真。Boost開關(guān)電源PWM控制的實際電路模型如圖9所示：

（三）仿真結(jié)果及分析。理想條件下，設(shè)Boost變換器的電路參數(shù)如下：Vg=200V，Vd=0.8V Ron=0.1ohm，R=10ohm，C=2000uF，L=10 mH。仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖10（b）（c）可以看出，輸出電壓均為400V是輸入電壓的2倍并且0.1s內(nèi)能夠穩(wěn)定在穩(wěn)定值內(nèi)，說明PWM控制技術(shù)具有良好的控制效果。另外，在理想條件下對Boost變換器建立的狀態(tài)空間平均模型仿真得到的波形與Boost變換器的實際電路的波形雖有一定的誤差，但基本一致。由圖10（a）（b）可以看出，在理想條件下建立的Boost變換器的狀態(tài)空間平均模型雖然能在一定程度上描述Boost變換器的輸出特性，但與實際電路的輸出特性有較大誤差。由上述分析可以得出：采用狀態(tài)空間平均法建立的Boost變換器的非理想模型相對于理想模型誤差更小、更接近于實際的Boost變換器。非理想狀態(tài)空間平均模型可以用于計算開關(guān)變換器開關(guān)部分功率損耗，從而得出開關(guān)變換器轉(zhuǎn)換效率。器件的非理想是大電流開關(guān)變換器效率下降的主要原因，特別是對于大電流開關(guān)變換器，建模分析時應(yīng)使用非理想模型，避免使用理想模型從而導(dǎo)致嚴(yán)重誤差。

七、總結(jié)

本文介紹了開關(guān)電源的基本工作原理以及PWM調(diào)制方式，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種PWM模式的升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換升壓控制電路。利用狀態(tài)空間平均建模的方法對Boost電路進行詳細的數(shù)學(xué)建模，利用MATLAB對狀態(tài)空間平均模型和Boost變換器的實際模型進行仿真，并對仿真結(jié)果進行了比較，仿真結(jié)果表明PWM控制的Boost電路具有更優(yōu)越的控制效果。同時也驗證了狀態(tài)空間平均法所建立模型的正確性與合理性。同時證明了狀態(tài)空間平均法在電力電子系統(tǒng)分析中的重要作用，該方法是解決實際問題的一種重要工具。

［1］徐德鴻.DC/DC模塊電源發(fā)展動態(tài).電子產(chǎn)品世界，2004.

［2］華偉.通信開關(guān)電源的五種PWM反饋控制模式研究.通信電源技術(shù)，2001.

［3］郝琦偉，李樹華.開關(guān)電源的原理與設(shè)計.內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報，2003，34（4）；440-444.

［4］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［5］Xinbo Ruan，Bin Li，and Qianhong Chen.Three-Level Converters-A New Concept in High Voltage DC-to-DC Conversion［J］.IEEE PESC，2002：663-668.

［6］張衛(wèi)平，吳兆麟.開關(guān)變換器建模方法綜述［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，1999，33（2）：12-15.

［7］田錦明，龔成龍，王松林.一種新穎的開關(guān)電源調(diào)制模式.電子器件，2007，第30卷（12期）：936-938

［8］文亞鳳.狀態(tài)空間平均法在開關(guān)電源動態(tài)建模中的應(yīng)用［J］.電氣應(yīng)用，2008，（18）：54-56.

［9］張衛(wèi)平，吳兆麟.開關(guān)變換器建模方法綜述［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，1999，33（2）：12-15.

姓名：徐頌，性別：男，民族：漢，出生年月日：75-12-30：籍貫：浙江海鹽，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：通信電子機械制造，職稱：中級工程師，職務(wù)：技術(shù)總監(jiān)。