| 标题 | 基于峰值电流模式的同步Buck变换器的数字控制 |
| 范文 | 刘松斌 高建海 摘 要： 研究同步Buck变换器的连续时间模型和离散时间模型，分析了变换器工作于峰值电流模式控制下负载恒定和负载动态变化的闭环系统，应用全状态反馈设计闭环系统的控制策略，使用PSPICE软件对设计电路进行搭建，仿真结果表明，设计的动态跟踪系统不仅能实现闭环极点的任意配置，而且能跟踪参考给定值并实现零稳态误差。最后，用Matlab分析了与负载变化相关的闭环极点灵敏度。 关键词： 同步Buck变换器； 极点配置； 峰值电流模式； 实验仿真 中图分类号： TN624?34； TM46 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）09?0121?04 Abstract： Continuous?time state model and discrete?time model of the synchronous Buck converter are studied， the constant load and dynamic load of the close?loop system is analyzed which is controlled by peak current mode of the Buck converter. The close?loop system is designed based on the full?state feedback， the design circuit is constructed by PSPICE software， and simulation results show that： the output voltage is followed by the reference， the zero steady?state error is obtained， and the closed loop poles are arbitrarily placed， with the proposed dynamic tracking system. Finally， the sensitivity of the closed?loop poles with the relavant of load variation is analyzed by MATLAB software. Keywords： synchronous Buck converter； pole?placement； peak current mode； experimental simulation 0 引 言 模拟控制器的生产厂商设计控制器一般采用电压反馈的比例控制或是比例积分控制，其控制环路是基于相位裕度来衡量系统的稳定性，这种方法限制了根轨迹上的极点位置。 模拟控制器反馈上的局限性在采用全状态反馈的离散状态空间模型可以克服模拟控制器在反馈上的局限，可以在期望的位置上任意选取闭环极点，不仅解决了电流模式控制的不稳定问题，而且获得了满意的动态特性。 1 变换器建模 1.1 连续状态空间模型 同步整流Buck变换器主开关导通[ton]和关断[toff]时间内的等效电路如图1和图2所示，选取降压变换器的状态变量为电感电流[x1]和电容电压[x2，]利用基尔霍夫电流定律和基尔霍夫电压定律，可以得到如下所示的Buck变换器导通和关断期间的小信号状态空间方程[1?2]，为使得到的模型更加精确，将开关管的导通阻抗和电感寄生电阻考虑在内。 4 仿真分析 实验中采用的MOSFET开关管驱动电路、采样电路和动态补偿部分电路如图4～图6所示，电感电流和输出电压都是在开关管导通[ton]时刻被采样，采样电感电流和流过电感电流的最小值比较得到电感电流的状态变量。同样输出电压和参考电压相减得到输出电压的状态变量。图7为负载从4 Ω变到3.75 Ω，又从3.75 Ω变到4 Ω的瞬时响应。 可以看到输出电压在6 ms时刻输出电压经过动态调整后又回到了额定电压3.3 V，在10 ms从图8电感电流的局部放大波形可以看出电感电流从6 ms时刻略微上升，流过电感的纹波电流为17 mA，满足对最大纹波电流的设计要求。 对于额定负载4 Ω，选取的闭环极点为{-0.6，0.4，0.9}，不改变计算得到的反馈增益，改变负载电阻得到不同的闭环极点位置。图9所示为负载电阻从0.1～20 Ω变化所对应的闭环极点幅值。 从图9知道，虚线左侧为系统不稳定区域，对应于负载电阻3.1 Ω。负载只有在[3.1～20 ]Ω范围内变化时，系统才是稳定的。 5 结 论 本文推导了同步Buck变换器的连续状态空间模型和小信号离散域模型，设计了基于峰值电流模式的动态跟踪系统。通过采用全状态反馈选取了合适的闭环极点，通过实验仿真不仅实现了负载变化时系统输出能够跟踪参考给定值，而且验证了当占空比大于50%时变换器是稳定的。 参考文献 [1] 肖淼，彭咏龙，李亚斌.基于脉宽调制的新型电流型整流器研究[J].华北电力大学学报：自然科学版，2005（B12）：29?33. [2] 李冬超.一种电流模式同步整流降压型DC?DC转换器的设计[D].上海：上海交通大学，2009. [3] OLIVA A R， ANG S S， BORTOLOTTO G E. Digital control of a voltage?mode synchronous buck converter [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2006， 21（1）： 157?163. [4] VACCARO R J.Digital control a state?space approach [M]. New York： McGraw?Hill， 1995. [5] SUMAN G， KUMAR B V S P， KUMAR M S， et al.Modeling， analysis and design of synchronous buck converter using state space averaging technique for PV energy system [C]// Proceedings of the 2012 International Symposium on Electronic System Design. Washington DC： IEEE Computer Society， 2012： 281?285. [6] 阚明建，徐申，孙伟锋.基于高开关频率精确模型的峰值电流型BUCK电源的补偿设计[J].电子器件，2012（1）：65?69. [7] 吴国营，张波.电流模式变换器的完整小信号模型及环路补偿[J].电工技术学报，2008，23（10）：83?87. [8] 胡学武.用观测器在位置系统闭环内实现状态反馈控制[J].苏州大学学报：工科版，2005，25（3）：36?40. [9] 杨平，许建平，张士宇，等.峰值电流控制二次型Boost变换器[J].电工技术学报，2011，26（5）：101?107. [10] 曹文思，杨育霞.基于状态空间平均法的BOOST变换器仿真分析[J].系统仿真学，2007，19（6）：1329?1330. |
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