開關變換器數字雙功率控制技術

何圣仲 代東雷

摘 要：針對開關變換器多頻率控制等方法中存在輸出電壓偏差等問題，以Buck變換器為例，深入分析控制脈沖功率和輸出電壓之間的數學關系，提出了一種數字雙功率控制技術。該控制技術利用數字控制動態調節控制脈沖的功率大小，保持輸出電壓的穩定。給出了詳細的公式推導，從理論上說明了這種控制技術相較于其他控制的優勢。研究表明，該控制技術能夠實現包括空載狀態在內的寬輸出功率范圍的調節，在保證輸出電壓紋波較小的同時，有效抑制了輸出電壓偏差。在不影響電路的瞬態響應速度的情況下，進一步改善了電路的穩態性能。仿真和實驗證明了理論分析的正確性。

關鍵詞：輸出電壓偏差;Buck變換器;數字雙功率控制;輸出功率范圍;瞬態響應速度;穩態性能

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.005

中圖分類號：TM 461文獻標志碼：A文章編號：1007-449X（2020）03-0038-07

Abstract：To solve the problem of output voltage deviation in multifrequency control of switching converter， taking Buck converter as an example， the mathematical relationship between the power of the control pulse and output voltage is deeply analyzed， and a digital bipower control technique is proposed. The control technique uses digital control to dynamically adjust the power of the control pulse to maintain the stability of the output voltage. The detailed formula derivation was given， and the advantages of this control technique over other control methods were explained theoretically. The research shows that the control technique can achieve wide output power range adjustment including noload state， and effectively suppress the output voltage deviation while guaranteeing a smaller output voltage ripple. Without affecting the transient response speed of the circuit， the steadystate performance of the circuit is further improved. The validity of the theoretical analysis was verified by simulation and experiment.

Keywords：output voltage deviation; Buck converter; digital bipower control; output power range; transient response speed; steadystate performance

0 引 言

近年來，工業生產對開關變換器的性能提出了越來越高的要求。在負載經常發生變化的應用場合，變換器需要具有快速的瞬態響應速度[1]。由于控制環路帶寬的限制，傳統PI控制技術并不具有快速的瞬態響應速度[2]。為此，滑膜控制[3-4]、滯環控制[5-7]、脈沖序列（pulse train，PT）控制[8-10]、雙頻率（bifrequency， BF）控制[11-12]、多頻率（multifrequency，MF）控制[13-14]以及多級脈沖序列（multilevel pulse train， MPT）控制[15-17]等策略被提出，有效地提高了開關變換器的瞬態響應速度。但是，滑膜控制和滯環控制的開關頻率是動態變化的，這不利于電路的電磁兼容設計[12];PT控制和BF控制在輸出功率范圍和輸出電壓紋波上無法兼顧;MPT控制和MF控制雖然成功解決了輸出電壓紋波和輸出功率范圍兼容問題，但是輸出電壓始終存在偏差;MPT控制電路設計比較復雜，且無法工作于空載狀態[13]。

相較于模擬控制，數字控制更加具有靈活性，便于設計出模擬控制難以實現的控制算法[18]。本文基于數字控制的優點，提出了一種開關變換器數字雙功率（digital bipower，DBP）控制技術，以易于分析的非連續導電模式（discontinuous conduction mode，DCM）Buck變換器為例進行說明。DBP控制分定頻數字雙功率（fixedfrequency digital bipower，FFDBP）和變頻數字雙功率（variable frequency digital bipower，VFDBP）兩種模式，其區別為改變的是控制脈沖頻率還是占空比。以FFDBP模式為例，通過數字控制動態調節兩組頻率相同的控制脈沖的導通時間，使得所需要的輸出功率在任何情況下都能被滿足。DBP控制從控制原理上改善了電路的穩態性能，幾乎完全消除了輸出電壓偏差，且在輕載條件下具有更小的輸出電壓紋波，使包括空載在內的寬輸出功率范圍得以實現。在數字控制方面，控制算法簡單，采用通用型數字處理器就可以實現。論文首先介紹DBP控制，詳細分析了其工作原理，并對幾種控制方式進行歸一化分析，通過仿真和實驗對理論分析進行了驗證，最后給出了結論。

1 DBP控制技術

圖1為DBP控制Buck變換器的電路原理圖，數字處理器的ADC單元在第n個周期末對主電路的輸出電壓和電流進行采樣，得到輸出電壓vn和電流in。然后，在算法單元中，將vn和in經過一系列運算，得到與參考電壓Vref相匹配的高功率控制脈沖PH和低功率控制脈沖PL。最后，vn和Vref經過比較選擇對應的控制脈沖作為有效脈沖。

5 結 論

1）本文以Buck變換器為例，提出了一種開關變換器數字雙功率控制技術。數字控制使得DBP控制可以很方便地調整控制脈沖的功率。相較PT和BF控制，DBP控制在保證輸出電壓紋波較小的同時，實現了寬輸出功率調節，并且提升了瞬態響應速度;相較MPT和MF控制，DBP控制有效抑制了輸出電壓偏差，并且進一步提高了電路的穩態性能。仿真和實驗證明了理論分析的正確性。

2）數字控制的靈活性保證了控制算法的有效實現。在已有的PT、BF、MPT和MF控制中，不論是雙控制脈沖還是多組控制脈沖，其頻率和占空比都是固定的，導致輸出電壓會出現較大紋波或穩態偏差。而所提出的DBP控制，根據所需輸出功率動態調節控制脈沖，使得控制脈沖時刻保持相對于輸出功率的最優化。理論上輸出電壓紋波可以非常小，但此時控制脈沖功率等級相差不大，會影響電路的瞬態響應速度。

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（編輯：賈志超）