開關電源數字化控制技術研究

聶慧芳

（中航工業洛陽電光設備研究所，洛陽 471009）

1 引言

隨著我國社會的快速進步，各種電子設備成為人們生活當中不可缺少的生活用品。開關電源技術是電子產品技術的主要部分，完善的電源系統是電子設備正常運行的必要條件，與此同時，近年來市場上對數字化開關電源的需求量逐漸增大，各個行業領域對電子設備電源系統的性能要求也在不斷提高。以上因素使開關電源行業要不斷提高電源的精確度、效率，減小電源的體積，使開關電源的整體性能得到提高。基于此，本文對開關電源數字化控制技術進行研究分析，對提高開關電源的性能具有重要意義。

2 開關電源數字化控制技術的研究現狀

數字化電源的本質特征是電源對輸出電壓以及電流的PWM調節是由控制芯片按照數字控制算法以及方式進行的，受數字控制器材自身性能限制，當開關的頻率達到MHz時，數字控制技術就不能達到開關的設計要求。另外，數字控制器材成本較高，所以，目前模擬開關電源依舊在開關市場中占據主導地位[1]。現如今，開關電源數字化控制技術研究主要分為兩類，首先是研發數字化控制芯片，其次是研究數字化電源開關。近些年，開關數字化主要有以下幾個研究方向：一是研究數字化控制方案，其主要是研究不同性能的數字芯片，應用于數字化開關電源；二是研究數字控制技術算法，針對拓撲結構進行數字分析，進而提出更加合理的數字控制算法；三是研究智能化設計，以實現對電源的智能化監管。基于此，本文對開關電源數字化控制技術進行系統研究。

3 開關電源數字化控制技術的優勢

電源開關的體積很小、重量很輕且電源變換效率較高，使其廣泛應用于計算機、機器控制設備、家用電器等電器當中。但隨著經濟水平的提高以及科學技術的發展，人民對電源開關的要求也逐漸提高，以前的電源開關設計時大多采用模擬控制技術，該技術只適用電力較小、頻率較低以及功能少的開關，并且該電源開關存在電路較為復雜、控制器件多等缺點[2]。相比之下數字化開關電源有如下幾點優點：一是數字化電源開關應用了先進的控制技術以及智能控制系統，使開關電源性能更高，能更好地滿足人們的智能化需求；二是該開關控制系統較為靈活，控制系統可以隨時進行升級改進，可以在線對控制算法以及控制數據進行修改，可以有效減短電源開關的設計周期；三是電源開關的控制電路中器件數量很少，可以有效減小控制面板體積，使系統的抗干擾能力得到很大的提高；四是電源開關的控制系統可靠性能得到很大提高，便于進行標準化生產，并且生產制造方便快捷。

4 開關電源數字化技術的控制方法研究

開關電源數字化控制方法是現如今電源研究當中的重點，隨著數字化技術的廣泛應用，許多離散控制方法也應運而生，主要包括無差別控制、PID控制、模糊控制、滑膜變結構控制等，進而推動了開關電源數字化技術的快速發展。

4.1 無差拍控制

無差拍控制是基于電路方程的一種控制方法，其應用信息狀態的反饋機制實現了零點以及極點的對消，并且在原點上配置了另外一個極點。在達到預期效果的情況下，輸出可以與給定完美匹配，畸變率相對較小[3]。所以，在開關頻率較低的條件下，無差拍控制也能夠有保證波形的良好質量，使數字化開關電源的性能有所提高。與此同時，無差拍控制法也有相應的缺點，首先，該控制法的采集時間以及計算時間較長，限制了輸出脈沖的占比；其次，無差拍控制的系統參數靈敏度較差。由于無差拍控制技術自身的局限性，使無差拍控制技術的應用受到一定的限制。

4.2 PID控制

PID控制技術是一種經典的控制方法，憑借其結構簡單以及可靠性高等優點得到廣泛應用。傳統的開關多采用模擬PID控制法，與其他的控制法相比，PID控制方法主要具有以下優勢：首先，PID算法包含了動態控制整個過程的信息數據，可以使整個控制過程更加精確、快速、穩定，有非常好的控制效果；其次，PID控制法在整個控制過程中對控制系統參數的依賴性低，進而控制系統參數的變化對控制效果的影響小，使控制系統的整體性能得到有效提高[4]。最后，PID控制法已經較為完備，可以應用到數字化開關電源的設計當中。但是，當PID控制法應用到數字化電源開關的設計當中時，也有一些局限性。首先是系統的誤差降低了PID算法的分辨率，使PID的控制精度降低；其次，采樣以及計算時間延長使得控制系統時間滯后。

4.3 模糊控制

電子設備是一個復雜的、多變的、非線性的系統，控制系統的復雜性與電源控制系統的準確性之間存在著一定矛盾。然而，模糊控制系統能夠精確找到二者之間平衡點，對系統當中的復雜狀況做出準確判斷，并及時對信息進行處理。模糊控制方法在開關電源的控制系統中主要有以下幾方面優點：首先，模糊控制在設計的過程當中不需要對被控制對象進行準確的數學建模，其有較強的適應性與魯棒性；其次，系統處理器查找模糊控制數據只需要用很少的時間，所以，可以應用很高的采樣率對系統中的實際偏差進行補償，進而提高了整體系統的精確度[5]。目前，受技術水平的限制，模糊變量的分類以及模糊規則數都受到了一定程度的限制，沒有統一的理論對確定隸屬函數進行指導。因此，當前的模糊控制準確度還有待提高。

4.4 滑膜變結構控制

滑膜變結構控制在本質上是不連續的開關電源控制方法，該種控制方法將電源系統的跟蹤誤差以及誤差導數控制在一條固定的滑膜曲線之上，該過程與系統的參數變動和外部的干擾完全無關，使電源開關控制系統的魯棒性得到增強。滑膜變結構控制有非常明顯的應用優勢。但是，該控制方法也存在一定的缺陷，其存在著控制系統的穩定性不強，在高頻率的狀態下容易抖動，很難選到理想當中的滑膜切面，與此同時，系統控制效果容易受采樣率等相關因素的影響。因此，要強化滑膜變結構控制在開關電源設計當中的應用，還需要對該技術進行進一步的研究。

5 結論

通過對文章的分析可知，數字化電源開關是未來發展的趨勢，伴隨著數字化技術的發展，性能較高的開關電源成為廣大科技工作人員的研究熱點，應用數字化控制技術，可以簡化傳統開關電源中的復雜電路，提高開關電源的整體性能。基于此，本文對開關電源數字化控制技術進行系統探究，通過應用PID控制方法、無差拍控制方法、模糊控制方法、滑膜變結構控制方法等可以有效提高開關電源的整體性能，滿足市場對電源開關的性能需求。