CN102629824A - 一种提高开关电源切换控制精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高开关电源切换控制精度的方法，先测量输入直流电源的输入电压V_in，电感的电感电流i_L，输出电压v_o及负载的电流i_R；再计算负载的电阻：R＝v_o/i_R；然后计算电感L的电流平均值I_L，变换器开关S如下控制：当i_L/I_L＜v_o/V_o时，开关断开；当i_L/I_L＞v_o/V_o时，开关闭合。本发明方法能减小存在内阻情况下工作在电流连续工作状态的变换器的输出电压的稳态误差，同时加快了响应速度，减低了输出电压纹波，减小开关电源输出电压稳态误差，提高开关电源切换控制精度。

Description

一种提高开关电源切换控制精度的方法

技术领域

本发明属于开关电源切换控制方法技术领域，具体涉及一种提高开关电源切换控制精度的方法。

背景技术

开关电源是一种广泛应用的电能变换装置，开关电源的拓扑结构随着开关的状态不同而发生变化，呈现出典型的混杂系统特征，即在开关特定状态时的连续状态演化与开关的离散切换构成的系统。对于这样的混杂系统，通过混杂自动机建立模型，并通过分析电路状态变量的变化情况得到切换控制规律实现对开关电源的切换控制，可以避免传统分析和设计方式的近似步骤，简化分析和设计。本发明针对一种处于电流连续状态的传统控制方法存在稳态误差的问题，提出了新的切换控制方法，提高了稳态精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高开关电源切换控制精度的方法，以克服原切换控制方法输出电压精度低、输出电压稳态误差大的问题。

本发明所采用的技术方案：一种提高开关电源切换控制精度的方法，该方法所基于的Boost电力电子变换器包括输入直流电源E、电感L、二极管D、开关S、电容C和负载R；输入直流电源E的正极通过电感L分别接开关S的一端和二极管D的正极，开关S的另一端接输入直流电源E的负极，二极管D的负极分别接电容C的正极和负载R的一端，电容C的负极和负载R的另一端接输入直流电源E的负极；

提高开关电源切换控制精度的方法，具体步骤为：

步骤1，

测量输入直流电源E的输入电压V_in，电感L的电感电流i_L，输出电压v_o及负载R的电流i_R；

步骤2，

计算负载R的电阻：R＝v_o/i_R；

步骤3，

计算电感L的电流平均值I_L，其公式如下：

$I_L=(1+\mathrm{\η})V_o^2/V_{\mathrm{in}}R$

η＝k_pe+k_i∫edt

e＝V_o-v_o

其中，V_o为期望输出电压，V_in为输入电压，k_p为比例系数，k_i为积分系数，t为时间；

步骤4，

变换器开关S如下控制：

4.1当i_L/I_L＜v_o/V_o时，开关断开；

4.2当i_L/I_L＞v_o/V_o时，开关闭合。

本发明的有益效果是，减小存在内阻情况下工作在电流连续工作状态的变换器的输出电压的稳态误差，同时加快了响应速度，减低了输出电压纹波，减小开关电源输出电压稳态误差，提高开关电源切换控制精度。

附图说明

图1是Boost变换器电路原理图；

图2是电流连续工作模式下变换器的电感电流和输出电压稳态的波形图；

图3是在电流连续模式下且电路元件无内阻时，采用传统切换控制方法，理想Boost变换器输出的仿真图；

图4是在电流连续模式下且电路元件有内阻时，采用传统切换控制方法和本发明控制方法控制Boost变换器的仿真对比图；

图5是电流连续模式下(实际电路元件都是有内阻的情况下)，采用传统切换控制方法和本发明切换控制方法控制Boost变换器的实验结果对比图。

具体实施方式

1.被控对象

被控对象Boost变换器电路如图1所示，Boost电力电子变换器包括输入直流电源E、电感L、二极管D、开关S、电容C和负载R；输入直流电源E的正极通过电感L分别接开关S的一端和二极管D的正极，开关S的另一端接输入直流电源E的负极，二极管D的负极分别接电容C的正极和负载R的一端，电容C的负极和负载R的另一端接输入直流电源E的负极。

随着开关状态和内部状态的不同电路，Boost变换器可以分为3种工作状态，其动态方程如下：

$\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=A_{i}x\left(t\right)+B_i$

其中x(t)＝[i_L v_o]^T，i_L为电感电流，v_o为输出电压(也就是负载R上的电压)，T表示向量转置，i对应电路工作的不同状态，不同状态对应的系统矩阵和输入矩阵如表1所示：

表1各种模式下系统的状态矩阵和输入矩阵

状态1为开关S闭合；状态2为开关S断开且i_L＞0；状态3为开关S断开且i_L＝0；电路根据是否经历状态3，可以分为电流连续和电流断续两种工作模式，在电流连续工作模式下，状态的切换顺序为q1→q2→q1→q2...，电流断续工作模式下，状态的切换为q1→q2→q3→q1→q2→q3...。

2.电流连续模式下传统方法的切换

图2为电流连续工作模式下电感电流i_L和输出电压v_o的稳态波形图，其中I_p为i_L的峰值，I_L为i_L的平均值，Δi_L为I_L的纹波值，V_o为期望输出电压值，Δv_o为V_o的纹波值，V_in为输入电压，L为电感值，R为负载电阻值，C为电容容量值；dT是系统从状态1切换到状态2时刻，T是状态2回到状态1的时刻，T也是变换器运行频率f的倒数。

如图2可以看出，在0≤t≤dT时段，t为时间；

$\frac{d{i}_L}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{L}---\left(2\right)$

选取

$2\mathrm{\Δ}{i}_L=\frac{V_{\mathrm{in}}}{L}\mathrm{dT}---\left(3\right)$

同一时段，电容电压的变化为

$\frac{d{v}_o}{\mathrm{dt}}=\frac{-V_o}{\mathrm{RC}}---\left(4\right)$

选取

$v_o=\frac{-V_o}{\mathrm{RC}}\mathrm{dT}---\left(5\right)$

由式(3)和式(5)可推出

$\mathrm{\Δ}{i}_L=\frac{\mathrm{RC}{V}_{\mathrm{in}}}{{\mathrm{LV}}_o}\mathrm{\Δ}{v}_o---\left(6\right)$

在电流连续工作模式下，电流的波动跟随平均电感电流，平均电感电流被定义为：

$I_L=\frac{V_o^2}{R{V}_{\mathrm{in}}}---\left(7\right)$

则可以得到电流连续工作模式下切换控制条件为：

1)当电感电流i_L≥I_L+Δi_L时，开关断开；

2)当电感电流i_L≤I_L-Δi_L时，开关闭合。

其中

V_o为期望输出电压，R通过测量输出电压v_o和输出电流i_R得到(也就是负载电阻)，这种情况下，开关的断开和闭合只有电感电流的平均值和波动量控制，输出电压的误差无法影响开关的切换，在电路元件存在内阻时，输出电压无法达到期望值。

上述分析得到的切换控制条件是基于理想情况下电流波形得到的，实际的情况是当电感存在电阻时，电感电流的平均值并不是峰值电流的一半。而传统的切换控制方法中并没有考虑到输出电压，所以如果利用传统切换控制规律，Boost变换器输出电压将存在很大稳态误差。

3.电流连续状态下本发明的切换控制方法

本发明在电流连续工作状态下采用如下切换控制规律：

1)当i_L/I_L＜v_o/V_o时，开关断开；

2)当i_L/I_L＞v_o/V_o时，开关闭合。

其中V_o为输出电压期望值，I_L按如下公式计算

$I_L=(1+\mathrm{\η})V_o^2/V_{\mathrm{in}}R$

η＝k_pe+k_i∫edt    (8)

e＝V_o-v_o

其中，V_o为期望输出电压，V_in为输入电压，k_p为比例系数，k_i为积分系数，t为时间。

本发明切换控制方法在输出电压与期望电压存在误差时将调整η使得电感平均电流I_L增大，从而使得输出电压提高，直到输出电压到达期望值。

下面结合试验对本发明的效果作进行进一步的详细说明：

对于图1所示的Boost电路，参数如下：V_in＝5V，L＝50mH，C＝2mF，V_o＝12V，负载R＝100Ω时，电路工作在电流连续模式；并取公式(8)中的参数k_p＝5，k_i＝2。

首先仿真测试Boost变换器理想电路(无元件内阻)情况下电流连续模式下传统切换控制方法的控制效果，如图3所示，其中图3(a)为无内阻时采用传统控制方法Boost变换器输出的电压变化曲线图，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为输出电压(单位是伏)；图3(b)为无内阻时采用传统控制方法Boost变换器的电感电流曲线图，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电感电流(单位是安培)；图3(c)是图3(a)的局部放大图；图3(d)是图3(b)的局部放大图。从图3可见，在没有元件内阻情况下输出电压能够达到期望值12V，电感电流也按照设计规律变化。

当Boost变换器电路元件存在串联电阻情况下，设电感L串联电路r_L＝1.4Ω，电容C串联等效电阻为r_C＝0.33Ω，二极管D串联等效电阻r_d＝0.3Ω，开关S串联等效电阻r_s＝0.023Ω时，在电流连续模式下分别采用传统控制方法和本发明切换控制方法，得到的对比仿真结果如图4所示，其中图4(a)为采用传统切换控制方法Boost变换器输出电压仿真结果图，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电压(单位为伏)；图4(b)为采用本发明方法的Boost变换器输出电压仿真结果图，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电压(单位为伏)；图4(c)为采用传统控制方法Boost变换器电感电流的仿真波形图，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电感电流(单位为安培)；图4(d)为采用本发明控制方法Boost变换器电感电流控制仿真波形图，横坐标为时间(单位为秒)，纵坐标为电感电流(单位为安培)。由图4可见，本发明方法在电路存在内阻时仍然能够得到没有静差地跟踪期望输出电压，而且响应时间短，稳态纹波电压小；而传统控制方法得到的输出电压(图4(a)所示)稳态没有达到期望值，则存在较大的静态误差。

由于实际电路总是有内阻存在，因此，传统方法只具有理论意义，而本发明方法才能够真正用于实际系统的切换控制方法。对图4所示的仿真结果进行了实验验证，得到图5所示的实验结果，图5(a)为利用传统切换控制方法Boost变换器输出电压动态响应曲线图，横坐标为时间(单位500ms)，纵坐标为输出电压(单位2V)；图5(b)为利用本发明控制方法Boost变换器输出电压动态响应曲线图，横坐标为时间(单位500ms)，纵坐标为输出电压(单位2V)；图5(c)为利用传统控制方法Boost变换器输出电压稳态曲线图，横坐标为时间(单位20ms)，纵坐标为输出电压(单位200mV)；图5(d)为利用本发明控制方法Boost变换器输出电压稳态曲线图，横坐标为时间(单位20ms)，纵坐标为输出电压(单位200mV)；图5(e)为利用传统控制方法Boost变换器的电感电流稳态曲线图，横坐标为时间(单位20ms)，纵坐标为输出电流(单位200mA)；图5(f)为利用本发明控制方法Boost变换器电感电流稳态曲线图，横坐标为时间(单位20ms)，纵坐标为输出电流(单位200mA)；由图5可见，本发明控制方法稳态无误差，控制精度高，而传统方法静态误差较大，与图4仿真结果结论一致；同时值得注意的是：由图5(a)和图5(b)可见，本发明方法的调节时间也较短；由图5(c)和图5(d)可见，本发明方法的输出电压纹波较小。

Claims (1)

1.一种提高开关电源切换控制精度的方法，该方法所基于的Boost电力电子变换器包括输入直流电源(E)、电感(L)、二极管(D)、开关(S)、电容(C)和负载(R)；输入直流电源(E)的正极通过电感(L)分别接开关(S)的一端和二极管(D)的正极，开关(S)的另一端接输入直流电源(E)的负极，二极管(D)的负极分别接电容(C)的正极和负载(R)的一端，电容(C)的负极和负载(R)的另一端接输入直流电源(E)的负极；

其特征在于，所述提高开关电源切换控制精度的方法，具体步骤为：

步骤1，

测量输入直流电源(E)的输入电压V_in，电感(L)的电感电流i_L，输出电压v_o及负载(R)的电流i_R；

步骤2，

计算负载(R)的电阻：R＝v_o/i_R；

步骤3，

计算电感(L)的电流平均值I_L，其公式如下：

$I_L=(1+\mathrm{\η})V_o^2/V_{\mathrm{in}}R$

η＝k_pe+k_i∫edt

e＝V_o-v_o

其中，V_o为期望输出电压，V_in为输入电压，k_p为比例系数，k_i为积分系数，t为时间；

步骤4，

变换器开关(S)如下控制：

4.1当i_L/I_L＜v_o/V_o时，开关断开；

4.2当i_L/I_L＞v_o/V_o时，开关闭合。

Images