CN106301038A - 一种开关电源固定频率的控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种开关电源固定频率的控制电路及控制方法，属于开关电源控制领域。本发明的控制电路包括开关电源模块、采样模块和控制模块，所述开关电源模块包括开关电源、开关管S1、开关管S2、电感L及电阻R_L、电阻R，所述电容C，所述采样模块包括输出电压采样单元和输出电压交流量采样放大单元，所述控制模块包括谐波补偿器、H∞控制器、RS触发器、时钟信号发生器、比较器和积分放大单元；其中，所述积分放大单元包括PI控制器和第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端与参考电压相连。本发明的有益效果为：结构简单、设计灵活，不仅具有较高的动态响应能力，同时具有很强的鲁棒性。

Description

一种开关电源固定频率的控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关电源控制电路，尤其涉及一种开关电源固定频率的控制电路及控制方法。

背景技术

传统的开关电源的固定频率V²控制方案具有输出动态响应快，结构简单等特性，十分适用于高动态响应的应用场合。但是传统的开关电源的固定频率V²控制不足之处在于抗干扰能力差，系统输出稳定性容易受到外界干扰及系统参数变化的影响，在干扰较多的应用场合中存在着潜在的稳定性问题。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提供一种开关电源固定频率的控制电路，还提供了一种基于所述控制电路的控制方法。

本发明开关电源固定频率的控制电路包括开关电源模块、采样模块和控制模块，所述开关电源模块包括开关电源、开关管S1、电感L及电阻R_L，所述采样模块包括输出电压采样单元和输出电压交流量采样放大单元，所述控制模块包括谐波补偿器、H∞控制器、RS触发器、时钟信号发生器、比较器和积分放大单元，所述开关管S1的漏极与开关电源相连，所述开关管S1的源极通过电感L与电阻R_L的一端相连，所述开关管S1的栅极与RS触发器的Q输出端相连，所述输出电压采样单元和输出电压交流量采样放大单元的一端分别并联在所述电阻R_L的另一端，所述谐波补偿器的输出电压值与输出电压交流量采样放大单元的输出电压值和运算后与比较器的一个输入端相连，所述输出电压采样单元的另一端通过比较器和积分放大单元与H∞控制器的一端相连，所述H∞控制器另一端与比较器的另一个输入端相连，所述RS触发器的R输入端与比较器的输出端相连，所述RS触发器的S输入端与时钟信号发生器相连。通过在控制回路中加入H∞控制器，实现了高鲁棒性、高动态响应的控制效果。

本发明作进一步改进，所述开关电源模块还包括开关管S2，所述开关管S2的漏极设置在所述开关管S1和电感L之间，所述开关管S2的源极设置在所述电阻R_L的另一端，所述开关管S2的栅极与RS触发器的Q-输出端相连。

本发明作进一步改进，所述开关电源模块还包括和电阻R，所述电容C、电阻R_C串联，并与电阻R并联在电阻R_L和开关管S2源极之间。

本发明作进一步改进，所述积分放大单元包括PI控制器和第一运算放大器，所述PI控制器一端设置在输出电压采样单元和第一运算放大器反相输入端之间，所述PI控制器另一端设置在第一运算放大器输出端和H∞控制器之间，所述第一运算放大器的同相输入端与参考电压相连。

本发明作进一步改进，所述PI控制器包括第二运算放大器、电阻R13、电阻R14、电容C7，所述第二运算放大器的正相输入端连接电阻R13，所述第二运算放大器的反相输入端接地，所述第二运算放大器的正负电源端分别接电源正负极，所述第二运算放大器的输出端与正相输入端之间设有串联的电阻R14和电容C7。

本发明作进一步改进，所述谐波补偿器包括电阻R3、电阻R4、电容C3、三极管Q1、三极管Q2、二极管D3和开关管S3，所述三极管Q1的集电极通过电阻R3接电源，所述三极管Q1的基极与三极管Q2的基极相连，所述三极管Q1的发射极通过电阻R4接地，所述三极管Q2的发射极通过电阻R5接地，所述三极管Q2的集电极输出，所述开关管S3的漏极接参考电压，所述开关管S3的源极与二极管D3的正极相连，所述开关管S3的栅极连接时钟信号，所述二极管D3的负极通过电容C3接地。

本发明作进一步改进，所述H∞控制器包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C4、电容C5、电容C6、第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器的正相输入端分别与电阻R12和电容C5相连，所述电阻R11、电容C4、电阻R10串联，所述电阻R12和电阻R11分别与所述比较器和积分放大单元输出端相连，所述电阻R10一端与第三运算放大器的输出端相连，所述电阻R9和电容C5串联，并设置在第三运算放大器正相输入端和输出端之间，所述第四运算放大器正相输入端通过电阻R8和第三运算放大器的输出端相连，所述第三运算放大器和第四运算放大器反相输入端接地，所述电阻R6设置在第四运算放大器正相输入端和输出端之间，所述第四运算放大器输出端与电阻R7一端相连，所述电阻R7另一端分别与整个H∞控制器输出端和电容C6相连，所述电容C6另一端接地，所述第三运算放大器和第四运算放大器的正负电源端分别接电源正负极。

本发明作进一步改进，所述时钟信号发生器采用时基电路LM555。

本发明还提供了一种基于上述控制电路的控制方法，包括如下步骤：

A1：对待控制开关电源的小信号建模，获取待控制开关电源的占空比到输出电压、输入电压到输出电压及输出阻抗的传递函数；

A2：建立开关电源整体模型框图，得到开关电源固定频率控制电路控制下开关电源模块的控制到输出电压、输入电压到输出电压以及输出阻抗的传递函数；

A3：利用步骤S1获取的传递函数及步骤S2中获取传递函数建立开关电源固定频率的控制模型；

A4：对开关电源固定频率的控制模型进行分析，得出H∞控制器及积分放大单元中的PI控制器的参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：结构简单、设计灵活，不仅具有较高的动态响应能力，同时具有很强的鲁棒性；该控制方法可应用于系统参数扰动较多，同时系统动态响应能力需求较高的场合，并可满足不同种类拓扑开关电源的设计需求，具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明控制电路结构框图；

图2为时钟信号发生器电路图；

图3为谐波补偿器电路图；

图4为H∞控制器电路图；

图5为PI控制器电路图；

图6为谐波补偿信号及输出电压交流量信号波形图；

图7为步骤S2中建立的开关电源整体模型框图；

图8为步骤S3中H∞控制中增广系统方框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的开关电源固定频率的控制电路包括开关电源模块、采样模块和控制模块，所述开关电源模块包括开关电源、开关管S1、电感L及电阻R_L，所述采样模块包括输出电压采样单元和输出电压交流量采样放大单元，所述控制模块包括谐波补偿器、H∞控制器、RS触发器、时钟信号发生器、比较器和积分放大单元，所述开关管S1的漏极与开关电源相连，所述开关管S1的源极通过电感L与电阻R_L的一端相连，所述开关管S1的栅极与RS触发器的Q输出端相连，所述输出电压采样单元和输出电压交流量采样放大单元的一端分别并联在所述电阻R_L的另一端，所述谐波补偿器的输出电压值与输出电压交流量采样放大单元的输出电压值和运算后与比较器的一个输入端相连，所述输出电压采样单元的另一端通过比较器和积分放大单元与H∞控制器的一端相连，所述H∞控制器另一端与比较器的另一个输入端相连，所述RS触发器的R输入端与比较器的输出端相连，所述RS触发器的S输入端与时钟信号发生器相连。

所述开关电源模块还包括开关管S2，所述开关管S2的漏极设置在所述开关管S1和电感L之间，所述开关管S2的源极设置在所述电阻R_L的另一端，所述开关管S2的栅极与RS触发器的Q-输出端相连。此外，所述开关电源模块还包括和电阻R，所述电容C、电阻R_C串联，并与电阻R并联在电阻R_L和开关管S2源极之间。

本例的积分放大单元包括PI控制器和第一运算放大器，所述PI控制器一端设置在输出电压采样单元和第一运算放大器反相输入端之间，所述PI控制器另一端设置在第一运算放大器输出端和H∞控制器之间，所述第一运算放大器的同相输入端与参考电压相连。

本例的时钟信号发生器采用时基电路LM555，也可以采用其他的时钟模拟芯片，具体电路图如图2所示。

如图3所示，本例的谐波补偿器包括电阻R3、电阻R4、电容C3、三极管Q1、三极管Q2、二极管D3和开关管S3，所述三极管Q1的集电极通过电阻R3接电源，所述三极管Q1的基极与三极管Q2的基极相连，所述三极管Q1的发射极通过电阻R4接地，所述三极管Q2的发射极通过电阻R5接地，所述三极管Q2的集电极输出，所述开关管S3的漏极接参考电压，所述开关管S3的源极与二极管D3的正极相连，所述开关管S3的栅极连接时钟信号，所述二极管D3的负极通过电容C3接地。

如图4所示，本例的H∞控制器包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C4、电容C5、电容C6、第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器的正相输入端分别与电阻R12和电容C5相连，所述电阻R11、电容C4、电阻R10串联，所述电阻R12和电阻R11分别与所述比较器和积分放大单元输出端相连，所述电阻R10一端与第三运算放大器的输出端相连，所述电阻R9和电容C5串联，并设置在第三运算放大器正相输入端和输出端之间，所述第四运算放大器正相输入端通过电阻R8和第三运算放大器的输出端相连，所述第三运算放大器和第四运算放大器反相输入端接地，所述电阻R6设置在第四运算放大器正相输入端和输出端之间，所述第四运算放大器输出端与电阻R7一端相连，所述电阻R7另一端分别与整个H∞控制器输出端和电容C6相连，所述电容C6另一端接地，所述第三运算放大器和第四运算放大器的正负电源端分别接电源正负极。

如图5所示，本例的PI控制器包括第二运算放大器、电阻R13、电阻R14、电容C7，所述第二运算放大器的正相输入端连接电阻R13，所述第二运算放大器的反相输入端接地，所述第二运算放大器的正负电源端分别接电源正负极，所述第二运算放大器的输出端与正相输入端之间设有串联的电阻R14和电容C7。

本发明通过控制模块的控制，可以实现开关电源在具有高动态响应特性的同时对参数扰动具有较强的鲁棒性。本发明的控制电路结构简单，设计调节灵活，具有较强的实用性。

本发明的控制电路的的控制方法具体包含如下步骤：

A1：对待控制开关电源的小信号建模，获取待控制开关电源的占空比到输出电压的传递函数G_vd(s)、输入电压到输出电压的传递函数G_vgo(s)及输出阻抗的传递函数Z_oo(s)。

具体计算公式如下：

$G_{vd}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{CRR}}_c{V}_{in}s+{\mathrm{RV}}_{in}}{LC(R+R_c)s^2+\[L+{\mathrm{CR}}_L(R_c+R)+{\mathrm{CRR}}_c\]s+R+R_L}$

$G_{vgo}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{CRR}}_c{V}_{out}s+{\mathrm{RV}}_{out}}{V_{in}LC(R+R_c)s^2+V_{in}\[L+{\mathrm{CR}}_L(R_c+R)+{\mathrm{CRR}}_c\]s+V_{in}(R+R_L)}$

$Z_{oo}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{RLCR}}_c{s}^2+(L+{\mathrm{CR}}_L{R}_c)s+{\mathrm{RR}}_L}{LC(R+R_c)s^2+\[L+{\mathrm{CR}}_L(R_c+R)+{\mathrm{CRR}}_c\]s+R+R_L}$

其中，本例从数学角度来看,是对时域g(t)(t为时间)做一个变换得到一个对应的在新的空间中的函数G(s),而s只是在这个新的空间中的变量符号。

A2：结合传统固定频率V²的控制方法，建立开关电源整体模型框图，得到开关电源固定频率控制电路控制下开关电源模块，也就是图1中的Buck变换器主拓扑(由开关管S1，开关管S2，电感L，电容C和电阻R构成)简称为变换器，的控制到输出电压、输入电压到输出电压以及输出阻抗的传递函数。

固定频率V²控制下的谐波补偿信号及输出电压交流量信号波形图如图6所示。图中m₁为输出电压纹波上升斜率，m₂为输出电压纹波下降斜率，m_c为谐波补偿波形下降斜率，Kv为输出电压纹波的中间值,d为变换器占空比，T_s为变换器开关周期，d’＝1-d,Vs指输出电压纹波信号，Vc指谐波补偿信号。

固定频率V²控制开关电源的整体数学模型框图，如图7所示。其中，表达式F_V、F_C及F_g的计算公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_c=\frac{2}{T_s(M_1+2M_c)}\\ F_v=\frac{{\mathrm{dR}}_c}{(M_1+2M_c)L}\\ F_g=-\frac{{\mathrm{dR}}_c}{(M_1+2M_c)L}\end{array}\right.$

因此，固定频率V²控制下变换器的控制电压到输出电压、输入电压到输出电压以及输出阻抗传递函数如下式所示：

$G_{vc}\left(s\right)=\frac{{\hat{v}}_{out}\left(s\right)}{{\hat{v}}_c\left(s\right)}{|}_{\underset{{\hat{v}}_{load}\left(s\right)=0}{{\hat{v}}_{in}\left(s\right)=0}}=\frac{F_c{G}_{vd}}{1-F_v{G}_{vd}}$

$G_{vg}\left(s\right)=\frac{{\hat{v}}_{out}\left(s\right)}{{\hat{v}}_{in}\left(s\right)}{|}_{\underset{{\hat{v}}_{load}\left(s\right)=0}{{\hat{v}}_{in}\left(s\right)=0}}=\frac{F_g{G}_{vd}+G_{vgo}}{1-F_v{G}_{vd}}$

$Z_{out}\left(s\right)=\frac{Z_{oo}}{1-F_v{G}_{vd}}$

A3：利用步骤S1获取的传递函数及步骤S2中获取传递函数建立开关电源固定频率的控制模型。

具体地，通过选择H∞控制器中的权重函数W(s)，获得基于受控系统G(s)(即上述G_vc(s)、G_vg(s)、Z_out(s)三个部分的组成)及权重函数W(s)的增广矩阵P(s)。通过求解增广矩阵P(s)的黎卡提方程式，获取H∞控制器的最优传递函数K(s)，H∞控制中增广系统方框图如图8所示。图8中，e为误差信号，u为控制信号，y为变换器测量输出，d为干扰信号，r为参考信号，n为测量噪声，w为总输入信号，z为系统输出。

本例的权重函数W(s)需要满足如下要求：

||W₁S||_∞≤γ

||W₂R||_∞≤γ

||W₃T||_∞≤γ

其中，式中S指灵敏度矩阵；R指控制能量矩阵；T为互补灵敏度矩阵。γ指满足上述三个条件的最小常数值。

本例W₁(s)、W₂(s)、W₃(s)为权重函数W(s)中的分量，W(s)由上述三者组成。

W₁(s)的选取与灵敏度矩阵S(s)有关，系统灵敏度矩阵S(s)是参考输入r(s)到系统误差e(s)的传递函数，度量了闭环系统对外界干扰量的抑制。W₁(s)代表外界干扰的频谱特性，即此式为闭环系统的灵敏度矩阵S(s)所必须满足的条件。为了保证系统具备抗扰能力，由于输入扰动和外界干扰一般为低频干扰，W₁(s)根据系统性能选取为低通滤波器。W₃(s)的选取与互补灵敏度函数T(s)有关，T(s)对系统的阻尼性能和鲁棒稳定性有影响，T(s)是外界干扰输入到平台输出之间的传递函数。在设计H∞控制器时，互补灵敏度函数T(s)的倒数要大于乘性范数最大值γ_m。为了保证W₁(s)和W₃(s)的频带不重叠，W₃(s)具有高通性质。W₂(s)的选取影响到控制能量矩阵R(s)，一般情况下，为了保证控制器阶次最低，在W₁(s)和W₃(s)确定后，W₂(s)取常数，且其值越大，则R(s)无穷范数越小。

在明确权重函数W(s)后即可将系统矩阵G(s)扩增程增广矩阵P(s)，随后求解增广矩阵P(s)的黎卡提方程式，求出H∞控制器和PI控制器增益和观测器增益，判断γ是否最小，使得求出所有||T_zw(s)||_∞＜γ的固定频率V²下H∞控制器K(s)表达式，其中，

T_zw(s)＝LFT(P，K)＝P₁₁+P₁₂K(I-P₂₂K)^-1P₂₁。

A4：针对基于H∞控制理论的开关电源固定频率的控制模型G(s)、K(s)进行分析，求出比例积分反馈控制下的控制器参数H(s)，本例的控制器参数H(s)是指H∞控制器和PI控制器中电阻电容参数。

该控制结构结构简单、设计灵活，不仅具有较高的动态响应能力，同时具有很强的鲁棒性。本发明的控制方法可应用与系统参数扰动较多，同时系统动态响应能力需求较高的场合，并可满足不同种类拓扑开关电源的设计需求，具有十分重要的意义。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种开关电源固定频率的控制电路，其特征在于：包括开关电源模块、采样模块和控制模块，所述开关电源模块包括开关电源、开关管S1、电感L及电阻R_L，所述采样模块包括输出电压采样单元和输出电压交流量采样放大单元，所述控制模块包括谐波补偿器、H∞控制器、RS触发器、时钟信号发生器、比较器和积分放大单元，所述开关管S1的漏极与开关电源相连，所述开关管S1的源极通过电感L与电阻R_L的一端相连，所述开关管S1的栅极与RS触发器的Q输出端相连，所述输出电压采样单元和输出电压交流量采样放大单元的一端分别并联在所述电阻R_L的另一端，所述谐波补偿器的输出电压值与输出电压交流量采样放大单元的输出电压值和运算后与比较器的一个输入端相连，所述输出电压采样单元的另一端通过比较器和积分放大单元与H∞控制器的一端相连，所述H∞控制器另一端与比较器的另一个输入端相连，所述RS触发器的R输入端与比较器的输出端相连，所述RS触发器的S输入端与时钟信号发生器相连。

2.根据权利要求1所述的开关电源固定频率的控制电路，其特征在于：所述开关电源模块还包括开关管S2，所述开关管S2的漏极设置在所述开关管S1和电感L之间，所述开关管S2的源极设置在所述电阻R_L的另一端，所述开关管S2的栅极与RS触发器的Q-输出端相连。

3.根据权利要求2所述的开关电源固定频率的控制电路，其特征在于：所述开关电源模块还包括和电阻R，所述电容C、电阻R_C串联，并与电阻R并联在电阻R_L和开关管S2源极之间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的开关电源固定频率的控制电路，其特征在于：所述积分放大单元包括PI控制器和第一运算放大器，所述PI控制器一端设置在输出电压采样单元和第一运算放大器反相输入端之间，所述PI控制器另一端设置在第一运算放大器输出端和H∞控制器之间，所述第一运算放大器的同相输入端与参考电压相连。

5.根据权利要求4所述的开关电源固定频率的控制电路，其特征在于：所述PI控制器包括第二运算放大器、电阻R13、电阻R14、电容C7，所述第二运算放大器的正相输入端连接电阻R13，所述第二运算放大器的反相输入端接地，所述第二运算放大器的正负电源端分别接电源正负极，所述第二运算放大器的输出端与正相输入端之间设有串联的电阻R14和电容C7。

6.根据权利要求4所述的开关电源固定频率的控制电路，其特征在于：所述谐波补偿器包括电阻R3、电阻R4、电容C3、三极管Q1、三极管Q2、二极管D3和开关管S3，所述三极管Q1的集电极通过电阻R3接电源，所述三极管Q1的基极与三极管Q2的基极相连，所述三极管Q1的发射极通过电阻R4接地，所述三极管Q2的发射极通过电阻R5接地，所述三极管Q2的集电极输出，所述开关管S3的漏极接参考电压，所述开关管S3的源极与二极管D3的正极相连，所述开关管S3的栅极连接时钟信号，所述二极管D3的负极通过电容C3接地。

7.根据权利要求4所述的开关电源固定频率的控制电路，其特征在于：所述H∞控制器包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C4、电容C5、电容C6、第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器的正相输入端分别与电阻R12和电容C5相连，所述电阻R11、电容C4、电阻R10串联，所述电阻R12和电阻R11分别与所述比较器和积分放大单元输出端相连，所述电阻R10一端与第三运算放大器的输出端相连，所述电阻R9和电容C5串联，并设置在第三运算放大器正相输入端和输出端之间，所述第四运算放大器正相输入端通过电阻R8和第三运算放大器的输出端相连，所述第三运算放大器和第四运算放大器反相输入端接地，所述电阻R6设置在第四运算放大器正相输入端和输出端之间，所述第四运算放大器输出端与电阻R7一端相连，所述电阻R7另一端分别与整个H∞控制器输出端和电容C6相连，所述电容C6另一端接地，所述第三运算放大器和第四运算放大器的正负电源端分别接电源正负极。

8.根据权利要求4所述的开关电源固定频率的控制电路，其特征在于：所述时钟信号发生器采用时基电路LM555。

9.一种权利要求1-8任一项所述开关电源固定频率控制电路的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

A1：对待控制开关电源的小信号建模，获取待控制开关电源的占空比到输出电压、输入电压到输出电压及输出阻抗的传递函数；

A2：建立开关电源整体模型框图，得到开关电源固定频率控制电路控制下开关电源模块的控制到输出电压、输入电压到输出电压以及输出阻抗的传递函数；

A3：利用步骤S1获取的传递函数及步骤S2中获取传递函数建立开关电源固定频率的控制模型；

A4：对开关电源固定频率的控制模型进行分析，得出H∞控制器及积分放大单元中的PI控制器的参数。