一种基于滑模变结构控制的Buck变换器设计

汪垚

[摘 要]文章讨论了滑模变结构控制理论在Buck变换器上的应用，并依据该理论方法设计了一种基于PWM技术的滑模控制器。该方法可以很好地解决滑模变结构控制器的性能受Buck变换器开关频率影响的问题。实验结果表明，这种方式能有效提高Buck变换器的准确度和动态响应，并增强其对负载突变和输入电压波动的鲁棒性。

[关键词]PWM；Buck变换器；动态响应；鲁棒性；滑模控制器

[中图分类号]TM46 [文献标识码]A

Buck型电路已被广泛用于我们的日常生活中，特别是在手机、GPS（Global Positioning System，简称GPS）和其他移动多媒体设备上。移动互联网的普及使得电子器件对电源的要求越来越高，近年来，许多学者被高性能降压转换器电路的研究所吸引，特别是控制技术的创新在其上面的应用。由于其效率高、体积小、操作简单结构等诸多优点，同步Buck变换器已经在信息通讯、IT行业、航空航天、数字系统和我们的日常生活中得到了广泛的应用。随着时代对高性能Buck变换器的需求，最近几年Buck变换器的控制技术已成为研究重点。其中，滑模控制理论和技术在Buck电路中的应用已经实现较好的结果。

滑模控制比较突出的特点就是可以很好地应对系统的不确定性， 对系统外部的干扰以及动态因素都有比较出色的鲁棒性， 尤为可贵的是，其对非线性系统的控制效果表现出色。而且由于变结构控制系统具有抗干扰性强、算法比较简单、跟随性好的特点，因此在控制领域有着比较广泛的应用。又因为滑模变结构控制系统对其外部参数的变化具有良好的鲁棒性，因而在DC / DC（Direct Current/Direct Current，简称DC / DC）变换器中得到了广泛的应用。从理论上讲，这种控制方法需要器件拥有无限迅速的切换速度，由于这个原因，大多数的滑模控制系统都采用滞环技术来限制开关器件的频率，但是，滞环带的宽度很难确定。由于开关频率的不确定，对于输入、输出来说，过滤并获得未失真的信号将会变得很难。因此，为了限制开关频率，该理论分为两个步骤。首先，采用迟滞滑模控制来限制开关器件的频率，但滞环带宽的不确定性也导致了开关频率的不确定性，因此在实际应用中存在一定的困难。关于这一点，有相关研究人员提出了一种固定频率的滑模控制技术。根据该技术，本文提出了一种基于滑模控制的控制技术，并将其应用于Buck变换器。这种方法使用滑动控制器来调整PWM（Pulse Width Modulation，简称PWM）占空比，从而实现控制并保持变频器输出电压稳定，达到开关频率固定的要求。实验结果数据表明，利用该方法能有效提高Buck变换器的动态性能，并且对系统参数的变化具有较好的鲁棒性。

1 Buck变换器的数学模型

Buck变换器整个系统的结构如图1所示，其中U0、Ui、Uref、u是Buck变换器的参数，分别代表了输出电压、输入电压、参考电压和滑动控制器的输出。

3.3 PWM信号生成电路

实际电路采用脉宽调制芯片TL494，该芯片的振荡频率固定，其具体数值fosc是由和5、6引脚相连的电阻RT和电容器CT的大小决定，，在本设计中，RT=110KΩ，CT= 0.01uF，频率设置为100 kHz。根据芯片TL494用户手册的说明，当引脚3的反馈电压U3从0.5V变化到3.5V时，由TL494芯片产生的PWM信号d的占空比从0%变化到96%。所以我们可以得到U3和d之间的关系为：

芯片TL494的14管脚可以提供5V的参考电压，在实际电路中，我们使用该参考电压和稳压二极管来构成3.5 V的稳压电路。TL494的引脚1和引脚2是TL494中一个运算放大器的输入，引脚3是该运放的输出，所以它可以帮助我们形成求和电路，用来实现公式（19）的加法运算。

4 实验结果与分析

4.1 静态性能测试

（1）参考电压为6V，确保输入电压为14V，并且负载电阻PR2在5Ω-25Ω的范围内变化，输出电压的稳定值在5种测试情况下结果如表一所示：

从上表数据可知，系统输出电压的最大稳态误差是0.08V，与系统设定参考量的偏差率仅为1.33%，输出电压对负载电阻的变化率约为0.004 V/ Ω。

（2）参考电压为6 V，保证负载电阻PR2不变，使系统输入电压在lOV至24V范围内变化时，输出稳定电压在5种测试情况下的稳态值如表二所示：

从上表数据可以看出，最大输出稳态误差数值为0.04V，与系统参考量的偏差率仅为0.067%，输出电压对输入电压的平均变化率为2.86mV/V。

4.2 动态性能测试

（1）首先保持转换器的输入电压不变，输出参考电压Uref= 6V，当负载电阻PR1瞬间接入电路时，负载的突变导致输出电压波动约为600mV，但在约3ms内便又返回参考电压。当负载增加的时候，电路的输出阻抗会增大，所以输出电压Uo会随着波动而增加，感应电流会减小。

（2）保持转换器输入电压恒定，输出参考电压Uref= 6V，当负载电阻PR1瞬间降低时，负载突变导致输出电压波动约为500mv，但它大约4 ms内返回参考电压。当负载减小时，电路的输出阻抗会降低，输出电压U0会随着波动而减小，感应电流会增加。

5 结语

本文以Buck变换器为设计目标，应用Buck变换器技术中的PWM控制方法，该方法解决了降压转换器开关频率影响滑模变结构控制器性能的问题，并介绍了固定频率滑模控制器的理论推导和设计。实验结果表明，该方法具有良好的鲁棒性和快速的动态响应。

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