基于dc-dc開關變換器的自適應控制方法研究

徐小琪

（安徽涉外經濟職業學院 安徽·合肥 230011）

dc-dc開關電源的很多性能參數都和開關頻率、負載等因素相關，是在持續變化之中的。設計dc-dc自適應控制系統，讓控制參數可以隨著外界環境和使用需求來自適應調整，讓系統在不同條件下均可以具有穩定的性能，成為dc-dc開關變換器優化的方向。

1 自適應數字變換器方案

以Buck變換器為例來分析dc-dc開關變換器的數字控制方式，研究數字控制方法，提高系統性能，減小控制產生的誤差，分析數字控制系統的頻域相應，進一步對數字控制dc-dc開關變換器進行自適應控制方法的研究。圖1為dc-dc開關變換器模型。

圖1：dc-dc開關變換器模型

圖中虛線框部分是電路的數字控制模塊，其基本原理在于，對輸出電壓進行采樣，與輸出電壓相比較，得到誤差電壓Ve，ADC模數轉換器可以將誤差電壓轉換為圖中的數字信號Ve[n]，通過PID/PD/PI進行補償，結合自適應控制算法，得到數字控制信號，產生脈沖信號，通過DAC數模轉換器把數字信號與模擬信號進行轉換，驅動開關元器件，控制其通斷。如果負載發生變化，輸出低電壓Vout會隨著負載變化而變化，網絡函數的部分參數則會跟隨Vout的變化而變化，系統運用自適應控制技術補償系統相位和增益，讓系統瞬態迅速穩定。

2 基于dc-dc開關變換器的自適應控制等效模型

dc-dc數字開關變換器的傳遞函數模型如圖2所示。

圖2：dc-dc數字開關變換器的傳遞函數模型

根據傳遞函數模型所示，Vout是電路輸出電壓，Vref為電路參考電壓，H（z）是系統反饋的傳遞函數，Ge（z）為補償系統傳遞函數，Ap（z）標識的是增加采樣保持后的功率傳遞函數。Dc-dc數字控制開關變換器的輸出電壓取模擬量，經過取樣之后，與A/D轉換器把模擬量轉換為數字量。誤差電壓經補償環節后呈現的控制信號直接是數字量。主電路參數 Vin取12-15V之間，電感L取35uH,輸出電容1450uf，電容串聯獲得的阻抗R為50m，輸出電阻R為1，參考電壓1.5V，開關頻率取100kHz，輸出電壓5V，輸出電流5A，波紋不能大于45mV。數字控制電路中采樣系數取0.28，轉換器分辨率可調，調整為8位，分辨率調整為10位。則dc-dc開關變換器的功率傳遞函數如下：

3 基于dc-dc開關變換器的自適應控制方法參數調整

3.1 補償器設計

通常情況下，補償網絡在開關變換器的控制回路中可以起到以下作用：首先是信號放大作用，將采樣電壓和參考電壓相比較，獲得誤差信號反向方法，提供控制信號，也就是輸出電壓高于標準電壓時，補償網絡就會減小控制信號，如果輸出電壓低于標準電壓，補償網絡就會增大控制信號。其次，對系統進行合理的相位與幅度補償，讓系統具備更高的相位和幅度的變換裕度，確保系統的瞬態穩定。計算機技術推動了開關變換器的數字控制技術的研究，控制領域從模擬控制進入數字控制階段。使用計算機組成控制系統，設定邏輯功能，編寫代碼來模擬電路中的高功率、電阻、電容等參數，通過軟件進行控制，系統非常便捷，實時性較強。數字補償網絡也可以運用編碼方式解決。數字控制是將系統偏差、微分和計分運用線性組合構建控制器的控制量系統，對開關的參數與通斷進行控制，從而控制輸出。在這樣的數字控制電路中，物理意義非常明確，便于程序化調節。比例調節的相應速度很快，系統出現擾動誤差，則能夠迅速調節。但是要根據系統情況選擇比例調節的程度，比例調節過大也會導致系統出現過大的瞬態變化。積分調節可以消除系統靜差中出現的誤差，系統穩定性更好。如果自動控制器出現了積分環節，調節比例不易控制，動態響應不足。在此時加入微分環節，提高系統調節精度，減小調節時間間隔，讓系統性能更加穩定。

3.2 參數調節

每個控制周期開始時，設定電壓變化整定值。dc-dc開關變換器會對實際的輸出電壓與參考電壓加以對比，計算誤差信號Ve，經過ADC，把模擬信號Ve轉化為數字信號Verror（n）；該信號的絕對值與電壓的絕對值進行比較，如果數字信號絕對值大于電壓絕對值，則執行下個步驟，如果數字信號絕對值小于電壓絕對值，則整定系統參數，當前的周期誤差和前一個周期誤差相等，也就是Verror(n)=Verror(n-1),不再計算誤差信號的波動，重復循環各個步驟。這個算法，需要整定值與系統電壓進行預先設定，其他電壓則是被動狀態，需要進行自適應監測。應該注意的是，整定值在穩態狀態下并不穩定，不能用來代替常規的整定值，整定值只能在瞬態情況下使用。

3.3 系統仿真驗證

在軟件平臺上搭建一個dc-dc開關變換器的數字電壓控制開關變換器仿真模型。模型包含控制電路，主動率線路采用的電路模型讓控制過程更加直觀具體，也提高了仿真結果的精確性。外圍電路包含了ADC、補償模塊和采樣電路模塊。ADC模塊，包含延遲模塊，0階保持器，數字量化模塊，系統限幅模塊，增益部分。延遲模塊可以將模擬電路以為元器件過多過于老化等問題導致的延時情況也模擬出來，0階保持器可以在不同時刻將采樣值保持到下一個時刻，能夠確保周期內有一個穩定的值，直至下個周期到來，值才會變化。量化模塊將采樣模擬量轉化為數字量，ADC將電壓信號轉化為數字電壓信號，并且為下一階段的控制提供輸入信號。主電路參數輸入到仿真電路中，使用自適應控制法之后，系統的瞬態反應時間比普通的控制方法減少了0.1ms，上沖電壓減少了200mV，輸出定壓的紋波更加穩定，表明自適應控制能夠減小輸出電壓的波動幅度，確保系統的瞬態性能和穩定性。

dc-dc開關變換器中，開關頻率改變也會引起系統效率和功耗的改變，但是并不影響系統整體性能。開關變換器的頻率提高，則系統傳輸損耗會增大。為了避免出現較大損耗，提高傳輸效率，提出一種在開關變換器發生頻率變化時采用動態自適應算法來進行數字控制的方法，優化電路控制方法，減少電磁干擾對系統電路數字控制帶來的壓力。隨著開關變換器頻率增加，輸出電壓與輸出的電流波形更加平滑，瞬態變化發生時，輸出電壓過沖比傳統方式降低了190mV,但是瞬態響應時間幾乎一致，說明開關變換器頻率變化對系統的瞬態性能無影響。

4 結語

本文對dc-dc開關變換器的自適應控制技術展開分析，介紹了自適應控制的電路補償器設計方案，對自適應控制的算法流程進行闡述，運用自適應控制算法對開關變換器，適當的負載出現跳變情況時，可以通過調整參數來維持輸出的穩定。自適應控制是準確可靠的，該系統算法能夠確保系統穩定，也提高了系統整體性能。