开关变换器数字双功率控制技术

何圣仲 代东雷

摘 要：针对开关变换器多频率控制等方法中存在输出电压偏差等问题，以Buck变换器为例，深入分析控制脉冲功率和输出电压之间的数学关系，提出了一种数字双功率控制技术。该控制技术利用数字控制动态调节控制脉冲的功率大小，保持输出电壓的稳定。给出了详细的公式推导，从理论上说明了这种控制技术相较于其他控制的优势。研究表明，该控制技术能够实现包括空载状态在内的宽输出功率范围的调节，在保证输出电压纹波较小的同时，有效抑制了输出电压偏差。在不影响电路的瞬态响应速度的情况下，进一步改善了电路的稳态性能。仿真和实验证明了理论分析的正确性。

关键词：输出电压偏差;Buck变换器;数字双功率控制;输出功率范围;瞬态响应速度;稳态性能

DOI：10.15938/j.emc.2020.03.005

中图分类号：TM 461文献标志码：A文章编号：1007-449X（2020）03-0038-07

Abstract：To solve the problem of output voltage deviation in multifrequency control of switching converter， taking Buck converter as an example， the mathematical relationship between the power of the control pulse and output voltage is deeply analyzed， and a digital bipower control technique is proposed. The control technique uses digital control to dynamically adjust the power of the control pulse to maintain the stability of the output voltage. The detailed formula derivation was given， and the advantages of this control technique over other control methods were explained theoretically. The research shows that the control technique can achieve wide output power range adjustment including noload state， and effectively suppress the output voltage deviation while guaranteeing a smaller output voltage ripple. Without affecting the transient response speed of the circuit， the steadystate performance of the circuit is further improved. The validity of the theoretical analysis was verified by simulation and experiment.

Keywords：output voltage deviation; Buck converter; digital bipower control; output power range; transient response speed; steadystate performance

0 引 言

近年来，工业生产对开关变换器的性能提出了越来越高的要求。在负载经常发生变化的应用场合，变换器需要具有快速的瞬态响应速度[1]。由于控制环路带宽的限制，传统PI控制技术并不具有快速的瞬态响应速度[2]。为此，滑膜控制[3-4]、滞环控制[5-7]、脉冲序列（pulse train，PT）控制[8-10]、双频率（bifrequency， BF）控制[11-12]、多频率（multifrequency，MF）控制[13-14]以及多级脉冲序列（multilevel pulse train， MPT）控制[15-17]等策略被提出，有效地提高了开关变换器的瞬态响应速度。但是，滑膜控制和滞环控制的开关频率是动态变化的，这不利于电路的电磁兼容设计[12];PT控制和BF控制在输出功率范围和输出电压纹波上无法兼顾;MPT控制和MF控制虽然成功解决了输出电压纹波和输出功率范围兼容问题，但是输出电压始终存在偏差;MPT控制电路设计比较复杂，且无法工作于空载状态[13]。

相较于模拟控制，数字控制更加具有灵活性，便于设计出模拟控制难以实现的控制算法[18]。本文基于数字控制的优点，提出了一种开关变换器数字双功率（digital bipower，DBP）控制技术，以易于分析的非连续导电模式（discontinuous conduction mode，DCM）Buck变换器为例进行说明。DBP控制分定频数字双功率（fixedfrequency digital bipower，FFDBP）和变频数字双功率（variable frequency digital bipower，VFDBP）两种模式，其区别为改变的是控制脉冲频率还是占空比。以FFDBP模式为例，通过数字控制动态调节两组频率相同的控制脉冲的导通时间，使得所需要的输出功率在任何情况下都能被满足。DBP控制从控制原理上改善了电路的稳态性能，几乎完全消除了输出电压偏差，且在轻载条件下具有更小的输出电压纹波，使包括空载在内的宽输出功率范围得以实现。在数字控制方面，控制算法简单，采用通用型数字处理器就可以实现。论文首先介绍DBP控制，详细分析了其工作原理，并对几种控制方式进行归一化分析，通过仿真和实验对理论分析进行了验证，最后给出了结论。

1 DBP控制技术

图1为DBP控制Buck变换器的电路原理图，数字处理器的ADC单元在第n个周期末对主电路的输出电压和电流进行采样，得到输出电压vn和电流in。然后，在算法单元中，将vn和in经过一系列運算，得到与参考电压Vref相匹配的高功率控制脉冲PH和低功率控制脉冲PL。最后，vn和Vref经过比较选择对应的控制脉冲作为有效脉冲。

5 结 论

1）本文以Buck变换器为例，提出了一种开关变换器数字双功率控制技术。数字控制使得DBP控制可以很方便地调整控制脉冲的功率。相较PT和BF控制，DBP控制在保证输出电压纹波较小的同时，实现了宽输出功率调节，并且提升了瞬态响应速度;相较MPT和MF控制，DBP控制有效抑制了输出电压偏差，并且进一步提高了电路的稳态性能。仿真和实验证明了理论分析的正确性。

2）数字控制的灵活性保证了控制算法的有效实现。在已有的PT、BF、MPT和MF控制中，不论是双控制脉冲还是多组控制脉冲，其频率和占空比都是固定的，导致输出电压会出现较大纹波或稳态偏差。而所提出的DBP控制，根据所需输出功率动态调节控制脉冲，使得控制脉冲时刻保持相对于输出功率的最优化。理论上输出电压纹波可以非常小，但此时控制脉冲功率等级相差不大，会影响电路的瞬态响应速度。

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（编辑：贾志超）