Buck电路闭环控制策略研究

编号南京航空航天大学电气工程综合设计报告题目Buck电路闭环控制策略研究学生姓名班级学号成绩张潼0311205031120505杨岚0311205031120508何晓微0311201031120110龚斌0311206031120631李博0311205031020519学院自动化学院专业电气工程及其自动化指导教师毛玲二〇一五年一月电气工程综合设计（论文）报告纸iBuck电路闭环控制策略研究摘要首先，本文对Buck电路的3种闭环控制策略进行了原理分析，比较，并对Buck主功率级电路进行了原理分析和建模，最后完成主电路的参数设计。其次，本文详细阐述了V2控制工作原理，推导V2控制环的传递函数，并且建立小信号模型，对控制器进行优化设计。最后使用SABER2007对BUCK电路的V2控制电路进行了时域频域仿真。关键词：Buck电路，V2控制电气工程综合设计（论文）报告纸ii目录摘要.........................................................................................................................................iAbstract.........................................................................................................错误!未定义书签。第一章概述.........................................................................................................................-1-第二章Buck变换器控制方法简介………………………………………………………2.1电压型控制……………………………………………………………………………….2.2电流型控制………………………………………………………………………………2.3V2控制……………………………………………………………………………………第三章Buck变换器原理分析及建模…………………………………………………….3.1Buck变换器传递函数………………………………………………………………….3.2Buck电路的边界条件……………………………………………………………………3.3主功率电路的参数设计………………………………………………………………..第四章V2控制电路分析及设计………………………………………………………..4.1V2控制原理分析4.2V2控制的buck变换器小信号模型4.3V2控制器优化设计第五章电路仿真…………………………………………………………………………5.1V2控制策略频域仿真5.2时域仿真电路和仿真波形电气工程综合设计（论文）报告纸-1-第一章概述1.1课题背景随着CPU运算速度和工作频率的成倍提高，低电压，大电流，小电压容差使微处理器对其供电电源及电源管理系统的要求越来越高。在开关电源的控制技术中，传统的电压型控制仅仅通过检测输出电压进行单环反馈控制，虽然电路简单，但是对输入电压和负载变化的响应速度慢；电流型控制方法在输出电压检测的基础上又引入电感电流或者开关电流检测，进行双环反馈控制，提高了变换器的响应速度。但是随着微处理器对供电电源及电源管理系统性能要求的不断提高，现有的控制方法已经很难满足负载特性日益苛刻的要求，采用输出电压双环反馈技术的V2控制方法应运而生。1.2课题主要研究内容本文主Buck电路的闭环控制为研究对象，研究Buck变换器的工作原理、控制方式及参数设计方法，着重研究Buck变换器的V2控制。其主要内容主要分为以下五章：第一章介绍课题研究背景，以及课题研究的主要内容。第二章对三种常见的Buck变换器控制方法进行综述。将三种方法的优缺点进行比较。第三章研究Buck变换器，分析其两者工作模态，推导了Buck变换器功率级模型及稳态传递函数。对主功率电路进行参数设计。第四章从V2控制方案入手，设计控制电路。第五章用Saber软件对电路进行仿真。第六章总结了本文所做的工作。电气工程综合设计（论文）报告纸-2-第二章Buck变换器控制方法简介开关电源由功率级和控制电路两部分组成。控制电路的功能是在输入电压、内部参数、外接负载变化时，调节功率级开关器件的导通时间，使开关电源的输出电压或者电流保持恒定。因此，在开关电源的设计中，控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来说是十分重要的。采用不同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果。2.1电压型控制图1所示为电压型控制Buck变换器，图2为其对应的主要波形。从图1可以看出，电压型控制方法是利用输出电压采样作为控制环的输人信号，将该信号与基准电压Vref进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压Ve。误差电压Ve与振荡器生成的锯齿波Vsaw进行比较生成一脉宽与Ve大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路(图中未画出驱动电路)驱动开关管导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。DCVVD1CLR误差放大器比较器+Vo-VeVref基准电压+-+-VeVsawVp图1电压控制型图2电压控制型波形图电气工程综合设计（论文）报告纸-3-2.2电流型控制电流型控制同时引入电容电压和电感电流2个状态变量作为控制变量，提高开关电源PWM控制策略的性能。由图3和图4可以看出，电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：电流型控制方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为PWM比较器的一个输入信号。电流型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关管导通，开关电流由初始值线性增大，检测电阻Rs上的电压Vs也线性增大，当Vs增大到误差电压也时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管关断。直到下一个时钟脉冲到来开始一个新的周期。VpDCVVD1CLR误差放大器比较器+Vo-VeVref基准电压+-33MHzQQSETCLRSR+-Vs时钟VeVsVp图3电流控制型图4电流控制型主要波形图2.3V2控制由于V2型控制方法具有优秀的动态性能，适用于电压调整模块等对动态特性要求比较高的场合。由图3和图5可以看出，V2控制方法与电流型控制方法的区别在于：V2控制方法用滤波电容电压采样代替了电流型控制方法中PWM比较器的电流采样输入。输出电压K反馈回来作为2个控制环的反馈量。V2控制方法稳态时的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位、开关管导通，开关电流iL由初始值线性增大。由于负载电流固定不变，所以该变化的电流完全通过滤波电容的ESR给滤波电容充电，从而在ESR上产生与电感电流斜率相同的压降Vq(Vq=iLRs)。该电压即为内环的采样电压。当Vq增大到误差电压电气工程综合设计（论文）报告纸-4-Ve时，比较器翻转，锁存器输出低电平，开关管关断，直到下一个时钟脉冲信号到来，开始一个新的周期。V2控制方法的稳态波形如图6所示。传统的电流型控制事实上是控制电感电流。当使用Buck变换器时，若电感在输出部分，则电流型控制是非常有效的。但是对于反激变换器和boost变换器拓扑，电感不在输出部分，电流型控制的许多优点体现不出来。V。控制方法由于内环检测点在输出部分，提高了Buck变换器和正激变换器对输入和输出静态和动态变化的响应速度，解决了电流型控制方法存在的问题。V2控制方法由于内环采用反馈输出电压的纹波，因而与电流型控制方法一样，抗干扰能力差。当占空比大于50％时，会产生次谐波振荡，所以也要使用斜坡补偿。V2控制方法可与普通的控制方法如定频、定开通时间和滞环控制配合使用以提高系统的响应速度。在使用定关断时间的V2控制方法时可免于使用斜坡补偿。V2控制方法对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需要额外的电路来进行过流保护。+_+_+_VSVREF参考电压+-VO+-VcapCRREiLDSVpVcLRSQVin误差放大器比较器锁存器io时钟驱动图5V2控制型时钟VcVpVs图6V2控制型主要波形图电气工程综合设计（论文）报告纸-5-第三章Buck变换器原理分析及建模电源在各种电子系统中占有极其重要的位置。随着电力系统的日趋复杂，规模的逐渐庞大，各种系统对电源的性能要求越来越高,需要采用更快速更稳定的电源控制方法。数字化开关电源具有易于模块化管理、体积小、稳定性高、抗干扰能力强、控制灵活的特点。Buck变换器的输出阻抗最低，对输入电压和负载的变化具有最快的响应速度，且输出电压纹波最小。3.1Buck变换器传递函数开关电源的主回路是一个分段线性系统，各段之间是不连续的，控制回路是一个线性系统．对于这样一个由分段线性和线性两部分构成的系统，要建立一个既便于分析又精确的模型是相当困难的．但是在所关心的信号频率比开关频率低的多时，可以利用状态空间平均法将开关系统近似为连续系统，在交流变量幅度与直流工作点相比足够小的时候，可以使用线性化的方法使非线性系统近似为线性系统。3.2Buck电路的边界条件开关转换线路是否工作在CCM或者DCM,主要取决于流过电感电流是否连续，当电感电流连续时，则开关转换器工作于CCM(currentcontinuousmode);当电感电流不连续时，则开关转换器工作于DCM(currentdiscontinuousmode)。当开关转换线路工作于CCM/DCM边界，对于buck线路而言，即流过电感的电流纹波与输出电流相等即：RVLTDVs2)1(…………………………….(1)由式(1)可得边界条件为:RLfDKs21………………………………………(2)即:当RLfDs21时，buck变换器工作在CCM模式；电气工程综合设计（论文）报告纸-6-当RLfDs21时，buck变换器工作在DCM模式；当RLfDs21时，buck变换器工作在CCM/DCM边界；buck变换器的DCM时的稳态关系当buck变换器工作在DCM时，则一个完整的周期分为三个部分(interval)。即：当sDTt0时，电感储能，电感两端的电压为：VVdtdiLVgL……………………………………(3)当ssTDtDT1时，电感释放能量，电感两端的电压为：VdtdiLVL………………………………………….(4)当ssTtTD1时，电容释放能量，电感两端的电压为：0LV…………………………………………………..(5)依据电感的伏秒平衡原理可得：gMVV…………………………………………………(6)式中：2/4112DKM1.2.CCM时AC等效电路模型(ACequivalentcircuitModeling)建立，考虑输出电感的寄生阻抗DCR,输出电容的寄生阻抗ESR。当sDTt0时:)()()()(tVtVdttdiLtVgLL…………………………….(7)RtVtidttdVCtiLC)()()()(……………………………..(8)当ssTtDT时：电气工程综合设计（论文）报告纸-7-)()()(tVdttdiLtVLL…………………………………….(9)RtVtidttdVCtiLC)()()()(……………………………..(10)使用平均值近似代替小纹波量，即：)()(tVtVgTgS、)()(tVtVST、)()(titiLTLS将上述式子代入式(11)、(12)、(13)、(14)并计算电感电压平均值及电容电流平均值得：))()(()()()()('sSSSTTTgTLtVtdtVtVtdtV……….......(11)RtVtitiSSSTTLTC)()()(…………………………….(12)平均输入电流的平均值为：SSTLtgtitdti)()()(………………………………..(13)构建在静态工作点（I、V、