Buck电路平均电流双闭环控制

Buck电路双闭环控制一引言BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Uo总是小于输出电压UD。通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L以及电容C的数值。简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，加入补偿网络，可实现闭环控制，通过采样环节得到所需电压/电流信号，再与基准值进行比较，通过闭环控制器得到反馈信号，与三角波进行比较，得到调制后的开关波形，将其作为开关信号，从而实现BUCK电路闭环控制系统。Buck电路的闭环控制有电压环控制、电流环控制以及二者结合的双闭环控制，此处采用双闭环控制：电流内环，电压外环。根据相关的电路设计适当的补偿网络对电路进行校正，提高电路系统输出性能。二BUCK变换器主电路参数设计2.1设计及内容及要求1）输入直流电压(inV)：50V2）额定输出电压(oV)：15V3）额定输出电流(oI)：1.67A4）输出电压纹波峰-峰值：mVVo016.025）电感电流纹波峰峰值：AIL42.025）锯齿波幅值(pV)：2.5V6）开关频率(sf)：100kHz7）输出电压采样网络传函3/1)(sH2.2主电路设计根据以上的对课题的分析设计主电路如下：图2-1Buck电路原理图1）占空比计算3.01550oinVVD，进而有SfDDTtsson3/2）滤波电感设计由LLudtdiL可知，)1(12DTVLIsoL，代入数值得mHL25.0，考虑到电感寄生电阻，取m1。3）滤波电容设计由ccidtduC可知，LsoITCV22112，代入数值得uFC83.20，考虑到电容的等效串联电阻，01.0ESRR。三Buck变换器控制器参数设计3.1电路双闭环控制结构整个系统的双闭环控制结构图如图3-1。图3-1系统总控制框图图中Gv、Gi网络传函需根据各环传函的特性设计相应的零极点以及增益值，使系统传函达到我们的目标函数。下面对电路进行分析，从电流内环的设计到电压外环的设计。3.2电流内环设计先不考虑电压环，则电流内环框图如下图3-2.GiKPWM1/SLiL*iLuD图3-2电流内环控制框图未加入补偿网络Gi校正时，电路的开环传函为sLKPWMsGi)(o其中20pinVVKPWM，画出其幅频特性与相频特性曲线图，如图3-3.020406080100System:sysFrequency(rad/sec):7.95e+004Magnitude(dB):0.0575Magnitude(dB)100101102103104105106-91-90.5-90-89.5-89Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)图3-3未加补偿时系统传函伯德图由分析可知，积分环节的幅频特性为一斜率为-20dB的曲线图，含一零极点。相频特性为-90度平行线。为了使电流环能迅速跟踪基值变化，加入补偿网络，设计将之前的积分环节变成如下特性曲线。曲线1曲线2Magnitude（dB）-20dB-40dB-20dB-40dBABWci图3-4计划加入补偿后的伯德图图中，含A、B两转折点，设定A处角频率sradfwwssA/628002101101，sradfwwssci/10000022121B处角频率sradfwwssB/6280002。根据这些条件，我们可以推出所加补偿网络的传函)1(1BAiiwsswskG，计算得加入了补偿环节后，系统的开环传函为)1(1)()()('2oBAiiioiwsswsLkKPWMsGsGsG由1)('ciiojwG可解得6105.1ik，代入各数值，画出此时电路的幅频特性以及相频特性图，如图3-5.-50050100150Magnitude(dB)103104105106107-180-150-120Phase(deg)BodeDiagramGm=-InfdB(at0rad/sec),Pm=28.3deg(at1.01e+006rad/sec)Frequency(rad/sec)图3-5校正后系统传函伯德图3.3电压外环设计电压环控制框图如下。uo*uoGvG’i(S)(1/SC+Rs)//RiL*iL图3-6电压环控制框图设计电压环时，我们也希望将其开环特性设计成如下曲线。曲线2Magnitude（dB）-40dB-20dB-40dBABWci曲线3-40dB-20dB-40dBCDWci图3-7计划所要设计的电压环（曲线3）上图中，曲线3为我们设计所要达到的电压环特性曲线，尽量做到D点所对应的频率小于A点所对应的频率。为在设计电压环之前，先看一个问题，由之前的电流开环可求出电流闭环传函，)(1)()('sGsGsGioioi，其伯德图如下。-80-60-40-20020Magnitude(dB)104105106107108-180-135-90-450Phase(deg)BodeDiagramGm=InfdB(atInfrad/sec),Pm=42.3deg(at1.43e+006rad/sec)Frequency(rad/sec)图3-8电流闭环传函伯德图实际上在B点之前，对于电压环而言，电流环等效于增益为1、相角为0的环节，这样，在设计电压环时，便可对电流闭环作一简化，将其等效为一比例环节，增益为1。电压环未加入补偿时，电路开路传函为1)1(1)()1()1//(00000sCRRsCRRRsCRsCRRsCRGssssvo该传函频率特性曲线如下图。-40-2002040Magnitude(dB)101102103104105106107108-90-450Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)图3-9未加补偿网络时电压开环传函伯德图图3-9中，幅频特性中包含一个极点sradRCwz/3701030901161，一个零点sradCRwsp/103.3103001.011661。根据图3-7中的曲线3以及3-9中的幅频特性曲线，可推测补偿网络传函形式：)1)(1()1)(1(32232ppzzvvwswsswswskG，零点32zzww、由1zw大致确定，32ppww、受到Aw限制。具体参数需要通过Saber仿真，观察输出电压和电感电流波形找到满足电路输出要求的参数。在这里，取sradwsradwzz/1200,/100032，sradwwpp/6500032，6103.3vk。作出该补偿网络的幅频与相频特性曲线图。-50050100150Magnitude(dB)101102103104105106-180-135-90-450Phase(deg)BodeDiagramFrequency(rad/sec)图3-10电压环补偿网络传函伯德图加入补偿网络后，整个电路系统的开环传函vovGGsG)(，其特性曲线如下。-200-1000100200Magnitude(dB)101102103104105106107108-270-225-180-135-90Phase(deg)BodeDiagramGm=11.4dB(at7.53e+004rad/sec),Pm=39.6deg(at3.38e+004rad/sec)Frequency(rad/sec)图3-11系统总的开环传函四Buck变换器Saber仿真4.1电流环电流跟踪仿真下图为加入了电流闭环的Buck电路，通过给定脉冲基准电流，观察电感电流跟踪情况。图4-1电流内环跟踪仿真原理图图4-2电流环仿真输出电压和电感电流波形为使电感电流能更快的调节至稳定状态，调整ik的值，至7101ik，此时观察波形，从图可知，随着给定电流的变化，电感电流能较好的跟踪变化，从电压波形上测得通过1.49ms即可进入另一稳定状态。这说明之前电流环的设计合理，基本满足电路要求。4.2双闭环仿真双闭环电路Saber仿真图如下，设定以上设计的主电路参数以及控制电路参数。图4-2Buck电路Saber仿真模型仿真波形如下图4-3，4-4。图4-3输出电压波形图4-4电感输出波形参数sradwsradwzz/1200,/100032，sradwwpp/6500032，以及比例增益6103.3vk通过不断调节寻找最佳值而得出。图4-3为改变增益vk的值的结果，从下往上，依次增加vk的值，可发现投载和卸载时电压尖峰有所下降，到6103.3vk，若再往上增加vk的值，投载（卸载）时，电压在起初建立稳定以及之后投卸载调整过程中均会出现振荡，这无疑会增加调整时间。图4-4为电感电流波形，初始时，电流会出现尖峰，解决这一问题的方法很简单，在电压环最后限幅积分环节，将限幅值改小即可，当不能小于电路稳定时的电流值（重载情况下）。下面是调节其他参数对输出电压波形的影响。图4-5调节电压环传函中零点32zzww、图4-5由下至上按sradwwzz/800,8009009001000,10001200,100032）（），（）（）（），（变化，从图中可看出电压尖峰变化趋势518.1692.1939.1015.2逐渐减小，但随之增加的是调整时间，同时初始阶段还会出现较大的振荡。图4-6调节电压环传函中极点32ppww、由下至上按sradwwpp/84000740006500032变化，适当增加极点的值，电压尖峰有所降低，但调整时间会有所增加，类似前面调零点。综合前面所调参数，最后选取参数sradwsradwzz/1200,/100032，sradwwpp/6500032，6103.3vk，这时的电压输出在超调量和调整时间上都有一个比较满意的值，电路输出特性和动态特性比较好地达到了预计要求。