新型開關(guān)電源控制方法研究

孟淵　王衛(wèi)國(guó)

摘 要： VRM作為電壓調(diào)節(jié)模塊具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，但傳統(tǒng)的V2C控制方法有其固有的缺點(diǎn)。為了提高VRM的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，在此分析了傳統(tǒng)控制方式的固有缺陷，并以傳統(tǒng)Buck變換器為平臺(tái)提出新的雙閉環(huán)模糊PID控制方法，最終希望提高VRM的抗干擾性。提出的控制方法通過(guò)引入非線性的模糊PID控制器閉環(huán)穩(wěn)定輸出電壓并引入PID負(fù)載電流控制器加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)在參數(shù)設(shè)置中嘗試兼顧穩(wěn)定性、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和魯棒性。最后通過(guò)仿真得到可以穩(wěn)定輸出的變換器電路并證明了該新型控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性能和控制精度。

關(guān)鍵詞： 模糊PID控制； 雙閉環(huán)； DC/DC變換器； 電壓調(diào)節(jié)模塊

中圖分類號(hào)： TN919?34； TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0143?04

0 引 言

電壓調(diào)節(jié)模塊（Voltage Regulator Module，VRM）具有低壓大電流輸出、快速負(fù)載變化響應(yīng)、高輸出穩(wěn)定度等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于CPU等對(duì)供電電源有特殊要求的集成電路芯片的供電。然而隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，晶體管體積迅速減小、單芯片晶體管數(shù)迅速增加。這樣的半導(dǎo)體制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)使得集成電路芯片的供電電壓越來(lái)越低，負(fù)載電流越來(lái)越大，負(fù)載變化速度越來(lái)越快、幅度越來(lái)越大。集成電路芯片這樣的越來(lái)越嚴(yán)酷的供電要求需要VRM的性能有新的提升。同時(shí)性能的提升需要傳統(tǒng)控制方法有新的發(fā)展和變化。文獻(xiàn)[1]介紹了許多已有的優(yōu)秀控制方法。

傳統(tǒng)的模擬控制器自Unitrode公司推出UC1842系列以來(lái)便通常采用雙閉環(huán)控制方法。在這種控制器中需要一定的三角波信號(hào)作為峰值電流控制模式，或V2控制模式的控制內(nèi)環(huán)輸入信號(hào)。故在這樣的控制律下一般采用輸出濾波電感的電流紋波或輸出濾波電容的電壓紋波作為控制器內(nèi)環(huán)反饋信號(hào)。但采用輸出濾波電感的電流紋波信號(hào)作為控制器輸入使控制器無(wú)法直接獲得負(fù)載電流信號(hào)。所以該方法在采樣環(huán)節(jié)存在固有的響應(yīng)延遲問(wèn)題。而采用輸出濾波電容的電壓紋波信號(hào)作為控制器反饋輸入信號(hào)雖然可加快負(fù)載變化的反饋速度。但隨著集成電路供電電壓的不斷降低，其對(duì)電源輸出電壓的紋波要求不斷提高，輸出電壓紋波必須越來(lái)越小。從而輸出濾波電容的電壓紋波作為控制器的反饋信號(hào)必然越來(lái)越微弱，信噪比越來(lái)越低，越來(lái)越容易受到外部干擾。所以傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制律存在一定的缺陷，同時(shí)這一缺陷已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法適應(yīng)集成電路工業(yè)對(duì)供電需求的發(fā)展。開關(guān)電源是一種非常典型的非線性系統(tǒng)，無(wú)法建立精確的模型。于此同時(shí)模糊PID雙閉環(huán)控制器，圖1作為一種優(yōu)秀的線性與非線性控制相結(jié)合的控制方法具有魯棒性強(qiáng)，不需要對(duì)控制對(duì)象準(zhǔn)確建模等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[2～5]。

本文基于Buck變換器提出了一種采用輸出電壓、輸出電流進(jìn)行雙閉環(huán)控制的模糊PID（F?PID）控制方法。并通過(guò)Matlab/Simulink和Cadence PSpice聯(lián)合仿真驗(yàn)證了該新型控制方法具有很好的穩(wěn)定和瞬態(tài)響應(yīng)性能。

1 雙閉環(huán)F?PID控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文提出的控制方法直接以負(fù)載電流作為反饋量直接控制控制器的占空比輸出值，從而避免了傳統(tǒng)控制器由于電流采樣點(diǎn)位置而造成的問(wèn)題。

Matlab作為領(lǐng)先的控制算法設(shè)計(jì)仿真工具，特別是其中包含有模糊控制工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）和Simulink設(shè)計(jì)仿真工具。所以本文中采用Matlab作為控制系統(tǒng)的控制器部分的設(shè)計(jì)仿真工具。

本控制器的SimuLink框圖如圖2。其中輸出電壓標(biāo)定后作為外環(huán)的反饋量以穩(wěn)定輸出電壓，輸出電流標(biāo)定后作為內(nèi)環(huán)的反饋量以加快負(fù)載變化響應(yīng)。外環(huán)電壓控制器即AVR采用F?PID控制器而內(nèi)環(huán)電流控制器ACR采用傳統(tǒng)的PID控制器以達(dá)到控制器復(fù)雜度和性能的折中。ACR的輸出經(jīng)過(guò)PWM調(diào)制后作為Buck變換器MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

本控制器為了滿足VRM對(duì)于輸出電壓精確度的高要求，遂讓F?PID控制器工作電壓區(qū)間較小以提高輸出電壓精確度。AVR采用F?PID和傳統(tǒng)PID的雙控制器相互切換的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中傳統(tǒng)PID控制器在輸出電壓誤差非常大時(shí)進(jìn)行控制，F(xiàn)?PID控制器在輸出電壓誤差在一定限度內(nèi)時(shí)進(jìn)行控制。F?PID控制器中的模糊控制器采用典型的兩輸入三輸出設(shè)計(jì)，如圖4所示。輸入量分別為電壓誤差E和電壓誤差變化率EC。輸出量分別為傳統(tǒng)PID控制器的KP，KI，KD的調(diào)整系數(shù)KKP，KKI，KKD。這樣可以使模糊控制器自適應(yīng)PID參數(shù)的設(shè)定值，而不用一同調(diào)節(jié)其中參數(shù)。由于直接由變換器輸出電壓進(jìn)行微分得到的直接誤差變化率極易受外部干擾出現(xiàn)很大的尖峰且直接誤差變化率變化范圍非常大達(dá)到正負(fù)1e13以上。所以本課題沒(méi)有采用微分得到的直接誤差變化率作為模糊控制器EC輸入信號(hào)，而是對(duì)其采取了取常用對(duì)數(shù)并保持原來(lái)正負(fù)的方法重新標(biāo)定，如圖5所示。在微分前加入低通濾波器以及在微分后加入一階采樣保持器的方法濾除過(guò)大尖峰的辦法弱化并消除干擾的影響。

模糊控制器采用Mamdani型。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)均為線性，模糊子集為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，子集中的元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。輸入量的論域?yàn)閇-3，3]，輸出量的論域?yàn)閇0，6]。模糊控制的規(guī)則表如圖6所示。

ACR采用常規(guī)PID控制器以快速響應(yīng)輸出電流的變化，如圖7所示。PWM調(diào)制時(shí)通過(guò)調(diào)整鋸齒波的大小變化范圍設(shè)置穩(wěn)態(tài)時(shí)的輸出占空比以加快穩(wěn)定。

2 Buck變換器與控制器的聯(lián)合仿真

Cadence/Pspice是最常用的功率電路仿真環(huán)境之一，且其提供了極為便利的和Matlab進(jìn)行聯(lián)合仿真的接口，即Matlab/Simulink中的SLPS模塊。所以本控制系統(tǒng)中Buck變換的設(shè)計(jì)和仿真在Pspice環(huán)境下進(jìn)行。仿真以14～22 V直流輸入3.3 V/（0～10 A）直流輸出為Buck變換器輸入輸出指標(biāo)，其中Lo=30 μH，Co=220 μF，如圖8，圖9所示。

3 仿真結(jié)果

本試驗(yàn)分別在電阻、電流負(fù)載滿載啟動(dòng)并半載到滿載階躍變化以及在各種負(fù)載類型下輸入電壓從額定最低值階躍跳變到最大值的情況下進(jìn)行了測(cè)試以檢驗(yàn)控制器的性能，如圖10所示。

由雙閉環(huán)模糊PID控制器控制的Buck變換器在正常運(yùn)行中任何的負(fù)載端或輸入端的變化對(duì)輸出電壓的影響均極為有限。其中當(dāng)輸入端由額定最低輸入電壓躍變至額定最高輸入電壓，即變化57%時(shí)，Buck變換器3.3 V輸出電壓有1%左右的變化；當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)行半載和滿載之間的階躍變化時(shí)3.3 V輸出電壓有<1%的下陷和<2%的超調(diào)。于此同時(shí)負(fù)載變化的穩(wěn)定時(shí)間<100 μs，輸入電壓變化穩(wěn)定時(shí)間<200 μs。

4 結(jié) 論

本文提出了一種應(yīng)用于Buck型VRM的控制方法，分析了其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，并給出了一種結(jié)構(gòu)方案。本文中仿真研究了雙閉環(huán)模糊PID控制器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，在多種條件下的仿真結(jié)果表明雙閉環(huán)模糊PID控制器具有較快的負(fù)載變化響應(yīng)速度和較小的輸出電壓下陷，以及良好的魯棒性。

圖10 仿真波形

參考文獻(xiàn)

[1] 倪雨.超快速加載Buck變換器設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào)，2013（8）：1598?1602.

[2] BUCCELLA Concettina， CECATI Carlo， LATAFAT Hamed， et al. Digital control of a half?bridge LLC resonant converter [C]// Proceedings of 15th International Power Electronics and Motion Control Conference. Novi Sad， Serbia： [s.n.]， 2012， LS6a 4： 1?6.

[3] RABBANI M， MARUF H M M， AHMED T， et al. Fuzzy logic driven adaptive PID controller for PWM based buck converter [C]// Proceedings of IEEE/OSA/IAPR International Conference on Informatics， Electronics & Vision. Dhaka： IEEE， 2012： 958?962.

[4] 王曉濤，曾成碧，劉晨曦.基于模糊控制的并網(wǎng)逆變器的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（9）：65?67.

[5] ZHANG Chao?zeng， XU Li?jun， LI Xiao?lu. Simulation of double closed?loop FLC for the compensating platform of LiDAR [C]// Proceedings of 2012 8th IEEE International Symposium on Instrumentation and Control Technology （ISICT）. London： IEEE， 2012： 301?304.

[6] 蔣震東，李向新.分布式電源并網(wǎng)逆變器控制策略與仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（3）：142?144.

[7] 胡文麗，趙永濤，鄭永強(qiáng).一種新型矩陣式高頻鏈逆變器控制方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：188?190.

3 仿真結(jié)果

本試驗(yàn)分別在電阻、電流負(fù)載滿載啟動(dòng)并半載到滿載階躍變化以及在各種負(fù)載類型下輸入電壓從額定最低值階躍跳變到最大值的情況下進(jìn)行了測(cè)試以檢驗(yàn)控制器的性能，如圖10所示。

由雙閉環(huán)模糊PID控制器控制的Buck變換器在正常運(yùn)行中任何的負(fù)載端或輸入端的變化對(duì)輸出電壓的影響均極為有限。其中當(dāng)輸入端由額定最低輸入電壓躍變至額定最高輸入電壓，即變化57%時(shí)，Buck變換器3.3 V輸出電壓有1%左右的變化；當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)行半載和滿載之間的階躍變化時(shí)3.3 V輸出電壓有<1%的下陷和<2%的超調(diào)。于此同時(shí)負(fù)載變化的穩(wěn)定時(shí)間<100 μs，輸入電壓變化穩(wěn)定時(shí)間<200 μs。

4 結(jié) 論

本文提出了一種應(yīng)用于Buck型VRM的控制方法，分析了其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，并給出了一種結(jié)構(gòu)方案。本文中仿真研究了雙閉環(huán)模糊PID控制器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，在多種條件下的仿真結(jié)果表明雙閉環(huán)模糊PID控制器具有較快的負(fù)載變化響應(yīng)速度和較小的輸出電壓下陷，以及良好的魯棒性。

圖10 仿真波形

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3 仿真結(jié)果

本試驗(yàn)分別在電阻、電流負(fù)載滿載啟動(dòng)并半載到滿載階躍變化以及在各種負(fù)載類型下輸入電壓從額定最低值階躍跳變到最大值的情況下進(jìn)行了測(cè)試以檢驗(yàn)控制器的性能，如圖10所示。

由雙閉環(huán)模糊PID控制器控制的Buck變換器在正常運(yùn)行中任何的負(fù)載端或輸入端的變化對(duì)輸出電壓的影響均極為有限。其中當(dāng)輸入端由額定最低輸入電壓躍變至額定最高輸入電壓，即變化57%時(shí)，Buck變換器3.3 V輸出電壓有1%左右的變化；當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)行半載和滿載之間的階躍變化時(shí)3.3 V輸出電壓有<1%的下陷和<2%的超調(diào)。于此同時(shí)負(fù)載變化的穩(wěn)定時(shí)間<100 μs，輸入電壓變化穩(wěn)定時(shí)間<200 μs。

4 結(jié) 論

本文提出了一種應(yīng)用于Buck型VRM的控制方法，分析了其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，并給出了一種結(jié)構(gòu)方案。本文中仿真研究了雙閉環(huán)模糊PID控制器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，在多種條件下的仿真結(jié)果表明雙閉環(huán)模糊PID控制器具有較快的負(fù)載變化響應(yīng)速度和較小的輸出電壓下陷，以及良好的魯棒性。

圖10 仿真波形

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