CN104953829B - 一种应用于buck变换器的准定频峰值电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种应用于BUCK变换器的准定频峰值电流控制方法，采集输出电压和电感电流信号，通过准定频控制方法得到开关导通时间和关断时间，生成开关控制信号，完成BUCK变换器的控制；控制系统由数据采集、电压外环、斜率计算、导通时间关断时间计算和调制模块五个模块构成。通过电感电流在开关开通和关断时的斜率计算及开通时间和关断时间计算，再由调制模块得到开关控制信号，实现BUCK变换器的控制，通过准定频控制方法提高了BUCK变换器稳态与瞬态性能。

Description

一种应用于BUCK变换器的准定频峰值电流控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源领域中BUCK电路(包含正激型、反激型以及半桥全桥型BUCK变换器)控制系统设计与制造领域。

背景技术

DC-DC变换器应用非广泛，尤其是在军事、工业、家庭、医疗和煤矿等领域都已得到了广泛应用。传统的DC-DC变换电源往往采用线性电源技术，但是这种结构形式造成电源整体效率偏低、性能不佳，且体积与重量大等问题。因此，直流电源倾向于采用开关电源技术，使得直流电源变得效率高、性能更好、体积小、重量轻。随着电力电子技术的快速发展，更促进了开关电源技术的快速发展与革新，应用领域也越来越广泛，在整个电源领域中开关电源所占据的比重愈来愈大。

为了促进DC-DC开关电源变换器的动态性能、输出精度以及瞬间限流保护，出现了电流纹波控制技术，这种技术显著的促进了直流开关电源变换器控制的发展。这种电流纹波控制技术主要分为峰值电流控制和谷值电流控制两种。然而，当占空比D>50％时，峰值电流控制会出现电流内环不稳定的现象，当占空比D<50％时，谷值电流控制也会出现这种不稳定的现象。这将会影响变换器的瞬态响应性能和稳态电压精度。

为解决这种电流内环不稳定的现象，出现了谐波补偿方法。但若是用同一不变的补偿斜率来进行所有占空比范围的补偿，这常常导致斜坡补偿量大大过剩，严重影响开关电源的瞬态响应特性。特别是控制状态，输出电流为零时，过量的补偿还可能导致峰值电流模式控制转变为电压模式控制，这也不是所期望的。基于斜坡补偿的方法就要求能在不同占空比下产生不同的补偿斜率，这会增加控制系统的运算量以及出现一些补偿斜率切换的不稳定问题。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是，以BUCK变换器峰值电流控制技术为例，提供一种适用于直流开关电源变换器的准定频电流纹波控制技术。使之不仅能提高传统电流纹波控制技术的瞬态性能，还能消除次谐波震荡等不稳定现象，从而提高变换器的稳态特性。

本发明实现其发明目的是通过如下技术方案实现的。

一种应用于BUCK变换器的准定频峰值电流控制方法，采集输出电压和电感电流信号，通过准定频控制方法得到开关导通时间和关断时间，生成开关控制信号，完成BUCK变换器的控制；控制系统由数据采集01、电压外环02、斜率计算03、开通关断时间计算04和调制模块05五个模块构成，控制流程包含以下步骤：

首先，在控制周期的开始，通过数据采集01获得输出电压记作v_{o_n}以及电感电流记作i_n，通过斜率计算03将采集的输出电压v_{o_n}按照式(1.1)计算，得到电感电流变化率m₁和m₂；

其中：v_g为BUCK变换器输入电压，其值稳定；v_{o_n}为BUCK变换器第n个开关周期采集的输出电压；L为电感值的大小；m₁为开关导通后电感电流的上升率；m₂为开关关断后电感电流的下降率；

同时，通过电压外环02计算得到给定电流大小i_c。

然后，通过开通时间关断时间计算04将电感电流值i_n以及给定电流i_c根据式(1.2)分别计算出开关导通时间和开关关断时间；

其中：t_{on_n}为第n个开关周期开关导通的时间；t_{off_n}为第n个开关周期开关关断的时间；t_{on_min}为开关导通时间的最小值；t_{on_max}为开关导通时间的最大值；t_{off_min}为开关关断时间的最小值；t_{off_max}为开关关断时间的最大值；T_set为所期望的开关周期；

最后，通过调制模块05将得到的开关导通时间t_{on_n}和开关关断时间t_{off_n}变为开关控制信号，完成BUCK变换器的一个开关周期内的控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、控制系统易于实现，运算量小，易于数字实现。

二、相对于传统电流纹波控制能有效提高系统的动态响应性能。

三、能有效消除传统电流纹波控制中出现的电流内环不稳定的现象，例如次谐波震荡。

四、具有较高的通用性能，能够应用于与BUCK变换器类似的所有开关电源电路，不仅适合于电流纹波控制技术：电流峰值控制以及电流谷值控制，还同样适合于电压纹波控制技术：电压峰值控制以及电压谷值控制。

附图说明

图1BUCK电路的准定频峰值电流控制系统框图

图2BUCK变换器斜率计算框图

图3BUCK变换器开关导通时间和关断时间计算框图。

图4当i_n小于等于i_c时的控制波形图

图5当i_n大于i_c时的控制波形图

图6传统峰值电流控制切换到准定频峰值电流控制方法,其中(a)为传统控制切换到准定频控制波形图,(b)为传统峰值电流控制稳态波形图,(c)为准定频峰值电流控制稳态波形图。

图7传统峰值电流控制(a)与准定频峰值电流控制(b)下启动时的输出电压和电感电流的波形图

图8传统峰值电流控制(a)与准定频峰值电流控制(b)下负载减小时输出电压和电感电流的波形图

图9传统峰值电流控制(a)与准定频峰值电流控制(b)下负载减小时输出电压和电感电流的波形图

具体实施方式

图1示出BUCK电路的准定频峰值电流控制方法系统框图。整个系统包括:数据采集01采集输出电压v_o以及电感电流i_L，输出电压经过外环电压PI控制器02得到峰值电流给定值i_c。另外，根据输出电压v_o以及存储的输入电压v_g通过斜率计算03得到电感电流上升率m₁和电感电流下降率m₂。结合峰值电流给定值i_c以及电感电流变化率m₁和m₂通过导通与关断时间计算04计算开关导通时间t_on和开关关断时间t_off。最后根据开关导通时间t_on和开关关断时间t_off经过调制模块05获得变换器的控制信号，完成变换器的控制。其中主要模块的具体内容为：

(1)斜率计算

对采集的输出电压、微控制器中储存的输入电压值以及电感电流值进行处理和运算，完成开关导通时和开关关断时电感电流变化率的计算。

(2)导通与关断时间计算

对电感电流变化率、电流给定值(外环电压输出值)以及电感电流采集值进行处理和运算，实现开关导通时间和关断时间的计算。

图2示出，BUCK变换器斜率计算框图。将输出电压信号与本地储存的输入电压信号按照图2所示的表达式：利用输入电压v_g减去输出电压v_{o_n}的差除以电感值L得到BUCK变换器工作时电感电流在开关开通时的上升率m₁，利用输出电压v_{o_n}除以电感值L得到变换器工作室电感电流在开关关断时的下降率m₂。

图3示出，BUCK变换器开关开通时间和关断时间计算框图。将得到的电感电流信号以及给定电流信号进行比较，分电感电流采样值i_n大于外环峰值电流给定值i_c以及小于外环峰值电流给定值i_c两种情况计算开关管导通时间和关断时间。当电感电流采样值i_n小于峰值电流给定值i_c时，开关开通时间t_{on_n}为值电流给定值i_c减去电感电流采样值i_n差除以电感电流上升率m₁，当t_{on_n}大于t_{on_max}时，开关关断时间t_{off_n}为t_{off_min}，否则开关关断时间t_{off_n}为m₁除以m₁与m₂的和再乘以设定开关周期T_set；当电感电流采样值i_n大于峰值电流给定值i_c时，开关导通时间t_{on_n}为t_{on_min}，开关关断时间t_off为电感电流采样值i_n减去峰值电流给定值i_c除以m₂与m₁除以m₁与m₂的和再乘以设定开关周期T_set的和，其限幅为t_{off_max}。

在不脱离本发明思想的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种应用于BUCK变换器的准定频峰值电流控制方法，采集输出电压和电感电流信号，通过准定频控制方法得到开关导通时间和关断时间，生成开关控制信号，完成BUCK变换器的控制；控制系统由数据采集(01)、电压外环(02)、斜率计算(03)、开通时间关断时间计算(04)和调制模块(05)五个模块构成；控制流程包含以下步骤：

首先，在控制周期的开始，通过数据采集(01)获得输出电压记作v_{o_n}以及电感电流记作i_n，通过斜率计算(03)将采集的输出电压v_{o_n}按照式(1.1)计算，得到电感电流变化率m₁和m₂；

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其中：v_g为BUCK变换器输入电压，其值稳定；v_{o_n}为BUCK变换器第n个开关周期采集的输出电压；L为电感值的大小；m₁为开关导通后电感电流的上升率；m₂为开关关断后电感电流的下降率；

同时，通过电压外环(02)计算得到给定电流大小i_c；

然后，通过开通时间关断时间计算(04)将电感电流值i_n以及给定电流i_c根据式(1.2)分别计算出开关导通时间和开关关断时间；

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其中：t_{on_n}为第n个开关周期开关导通的时间；t_{off_n}为第n个开关周期开关关断的时间；t_{on_min}为开关导通时间的最小值；t_{on_max}为开关导通时间的最大值；t_{off_min}为开关关断时间的最小值；t_{off_max}为开关关断时间的最大值；T_set为所期望的开关周期；

最后，通过调制模块(05)将得到的开关导通时间t_{on_n}和开关关断时间t_{off_n}变为开关控制信号，完成BUCK变换器的一个开关周期内的控制。

2.根据权利要求1所述的应用于BUCK变换器的准定频峰值电流控制方法，其特征在于，控制周期开始采集输出电压值v_{o_n}以及电感电流值i_n，采集输出电压值v_{o_n}用于计算电感电流开关导通时的上升率m₁以及开关关断时的下降率m₂，通过电压外环(02)得到电感电流峰值的给定值i_c；然后根据采集的电感电流值i_n，电感电流上升率m₁，电感电流下降率m₂以及电流峰值给定值i_c计算得到开关导通时间t_on与开关关断时间t_off。

3.根据权利要求1所述的应用于BUCK变换器的准定频峰值电流控制方法，其特征在于，调制模块(05)根据计算的开关导通时间t_on和开关关断时间t_off得到BUCK变换器的控制脉冲。