基于PI控制的升降压开关电源仿真研究

李继岚 吴曙光 韩冰 蔡雄友 李婉璐

摘要：针对小功率升降压变换器在输入电压不稳定和负载存在变化的工况，以升降压开关电源输入电压为5 ～ 10 V，且负载不大于2 A，输出电压为-25 V 为例，通过理论计算得到升降压开关电源电感值、电容值，同时采用比例积分（proportional integral，PI）控制器设置参数。根据电源的输入/ 输出需求，在MATLABSimulink 中建立电路模型，实验结果表明：设置电源的工作频率为200 kHz，当电感电流在输入电压为5 V时，纹波率为0.4，输出电压纹波为1%。该电源输出电压纹波和电感电流的值与理论计算值一致且能够满足实际的工作要求。

关键词：PWM；开关电源；PI 控制

中图分类号：TN492；TB559 文献标识码：A

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随着科技的进步，各种设备对直流稳压电源需求不断增大，其中的开关电源是非常重要的供电系统，其结构简单，理论成熟度高[1]。直流—直流（direct current-direct current，DC-DC）变换器的主要发展趋势包括工作在开关状态下效率更高[2]、硬件组成更小、开关频率更高[3]。目前升降压变换器有许多控制算法。DC-DC 升降压变换器可以采用双线性模型表示非线性系统[4]。为了保证输出电压稳定，需要将非线性的系统进行线性化处理。采用的处理方法是在平衡点附近进行一阶泰勒展开，然后根据线性系统模型设计控制器[5]。部分学者采用了传统的比例积分微分（proportional integralderivative，PID）控制器[6-7]。有些专家和学者提出了一些非线性控制技术用于解决DC-DC 变换器输出电压不稳定的问题，如自适应技术[8]、自抗扰技术[9] 和滑模技术[10] 等控制方式。

基于系统实际工作的情况，本文采用比例积分（proportional integral，PI）控制器控制其电压输入和负载阻抗均在一定范围内变化。根据电源设计理論[10] 计算变换器需要采用的电感值和耐受的电流值，根据纹波计算输出电容器的电容值。实验表明本文采用的PI 控制器结构简单，理论成熟且控制效果较好，能够丰富电源的理论研究和应用案例。