Buck變換器的數(shù)字電流滯環(huán)控制策略的改進

程紅麗，賈龍飛

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Buck變換器的數(shù)字電流滯環(huán)控制策略的改進

程紅麗1，賈龍飛2

(1. 西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 西安 710054；2. 新疆特變電工自控設(shè)備有限公司 新疆 昌吉 831000)

基于已有的數(shù)字電流滯環(huán)控制的Buck DC-DC變換器控制策略和實驗結(jié)果，分析了造成負載突變時出現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)時間長及輸出電壓無法恢復(fù)到期望值的原因，提出了一種改進的控制策略。該控制策略在沿用已有的控制策略的基礎(chǔ)上，增加了對負載突變過程的檢測，如果發(fā)生負載突變情形，自動切換到新的控制策略。針對負載突增和突減，分別建立突變過程的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計相應(yīng)的控制策略，給出硬件測試結(jié)果。實驗結(jié)果表明，該控制策略在穩(wěn)態(tài)控制和動態(tài)過程控制中都是正確可行的，在保證穩(wěn)態(tài)時輸出電壓精度的基礎(chǔ)上，明顯改善了變換器的動態(tài)特性。

Buck DC-DC變換器; 電流滯環(huán)控制; 動態(tài)響應(yīng); 負載突變

電流滯環(huán)Buck DC-DC變換器控制策略具有良好的穩(wěn)態(tài)控制和快響應(yīng)的優(yōu)點，并適合于進行智能并聯(lián)均流控制[1]。但是，如果穩(wěn)態(tài)過程和負載突變的動態(tài)過程用相同的控制策略，實驗結(jié)果出現(xiàn)暫態(tài)恢復(fù)時間過長，輸出電壓不能恢復(fù)到期望值等問題[2-3]，所以要對動態(tài)過程的控制加以改進。

目前，DC-DC變換器的動態(tài)過程控制取得了很大進展，主要有用電壓控制和基于電容電荷平衡控制相結(jié)合的控制方式[4-5]，基于最優(yōu)負載特性控制[6]，基于具有全局尋優(yōu)的遺傳算法的最優(yōu)PID控制[7]，基于數(shù)字預(yù)測控制方法的模糊PID控制[8]，基于PWM/PSM相結(jié)字預(yù)測控制方法的模糊PID控制[8]，基于PWM/PSM相結(jié)合模式控制[9]，以及基于全局滑膜控制器實現(xiàn)全局切換函數(shù)的控制[10]，都有效改善了電壓模式控制在負載突變的暫態(tài)中響應(yīng)時間長及超調(diào)大的問題。

上述控制方法主要通過電壓誤差或電壓滯環(huán)控制來改善負載突變動態(tài)特性。本文為了保留電流滯環(huán)控制的優(yōu)越性，針對動態(tài)響應(yīng)過程中存在的不足，分析實際負載突變過程應(yīng)有的情形，建立動態(tài)響應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型，提出相應(yīng)的與電流滯環(huán)控制相結(jié)合的動態(tài)過程控制策略。

1 原有電流滯環(huán)控制方法的實驗分析

1.1 電流滯環(huán)控制原理及優(yōu)越性

1.1.1 電流滯環(huán)控制原理

電流滯環(huán)Buck DC-DC變換器的組成原理如圖1所示。

圖1 電流滯環(huán)Buck DC-DC變換器

Buck變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)時，滯環(huán)電流控制下的電感電流波形如圖2所示。其中L()是期望的平均電感電流，?是設(shè)置的電流滯環(huán)寬度，L()+0.5?是電流滯環(huán)上限，L()-0.5?是電流滯環(huán)下限。

圖2 CCM模式下的電感電流波形

根據(jù)圖2所示電感電流波形，制定圖1中主開關(guān)S的滯環(huán)電流控制策略如下[2]：

1.1.2 電流滯環(huán)控制的優(yōu)越性

與其他電壓誤差或電壓滯環(huán)控制的控制器相比較，滯環(huán)電流控制器具有以下優(yōu)點[2]：

1)穩(wěn)態(tài)特性好，由于是通過實時負載和期望輸出電壓計算輸出電流從而控制電感電流，具有更高的控制精度；

2)由于采用電流跟蹤控制，輸入電壓的突變不會對輸出電壓的平均值產(chǎn)生任何影響，只對紋波有影響；

3)由于直接控制輸出電流，適合用于多模塊并聯(lián)組合及智能均流。

1.2 原有電流滯環(huán)控制實驗結(jié)果分析

原有的電流滯環(huán)控制方法中，暫態(tài)過程控制和穩(wěn)態(tài)過程控制采用相同策略，如式(1)所示。通過設(shè)定期望輸出電壓，采樣實時負載，計算電感平均電流，設(shè)置滯環(huán)寬度，進行實時控制。

為完成負載突變實驗結(jié)果分析，根據(jù)需求設(shè)計硬件電路參數(shù)為：=700mH，=1 200mF，滯環(huán)寬度D=100 mA，輸入電壓范圍8～25 V，輸出電壓為額定值5.0 V。負載電流變化范圍為0.18～1.13 A。

負載電流突增暫態(tài)過程測試結(jié)果如圖3所示，輸出電壓的負載調(diào)整率為0.55%，動態(tài)響應(yīng)時間大于700 μs。從圖3可以看出，負載電流從0.18 A突增為1.13 A后，電感電流上升到新的電流滯環(huán)上限后開關(guān)管即刻關(guān)斷，雖然符合滯環(huán)電流控制策略，卻導(dǎo)致輸出電壓減小后無法恢復(fù)到突變前的電壓值。要解決這一問題，必須適當增加開關(guān)S的導(dǎo)通時間，使輸出電壓可以快速恢復(fù)到期望輸出值。也就是需要設(shè)定在負載電流突增過程中開關(guān)S合理的關(guān)斷時間點。

圖3 原有策略下的負載電流突增時的實驗波形

圖4 原有策略下的負載電流突降時的實驗波形

負載電流突降暫態(tài)過程測試結(jié)果如圖4所示，輸出電壓的負載調(diào)整率為0.76%，動態(tài)響應(yīng)時間大于700 μs。

從圖4可知，負載電流從1.13 A突降為0.18 A后，電感電流下降到新的滯環(huán)下限后開關(guān)管即刻開通，雖然符合滯環(huán)電流控制策略，卻導(dǎo)致輸出電壓增大后無法恢復(fù)到突變前的電壓值。同樣要解決這一問題，必須適當增加開關(guān)S的關(guān)斷時間，使輸出電壓可以快速恢復(fù)到期望輸出值。即需要設(shè)定在負載電流突降過程中開關(guān)S合理的重新開通時間點。

2 電流滯環(huán)控制策略的改進

通過實驗分析，原有的電流滯環(huán)控制方法在BUCK變換器的穩(wěn)態(tài)過程和輸入電壓變化過程中，都有較好的控制效果，因此，本文只對發(fā)生負載突變時的控制策略進行改進，以獲得更好的動態(tài)響應(yīng)特性及更小的負載調(diào)整率。

2.1 負載電流突增過程分析

當負載電阻突然從L2減小到L1，即輸出電流從o2突增到o1，平均電感電流從L2突增到L1，過渡過程分為3個階段，等效電路如圖5所示。

圖5 負載電流突增各階段的等效電路圖

第一階段(1～2)如圖5a所示，此時開關(guān)S開通，電感電流增大，電容放電，電流關(guān)系為：

式中，E是期望輸出值；i是輸入電壓值；是電感值；是輸出端濾波電容值。

2時刻，電容的放電電流為零，輸出電壓值達到“下沖”最低點，可計算得第一階段持續(xù)時間D1為：

第二階段(2～3)如圖5b所示，此時，開關(guān)S繼續(xù)開通，電感電流繼續(xù)增大，而電容開始充電，輸出電壓回升，電流關(guān)系為：

同樣推導(dǎo)得到這一過程輸出電壓o()為：

式中，L(0)=L2+(i-E)2/。

假設(shè)，開始時刻2=0，則3=D2，3時刻電感電流為最大值L1+1，得第二階段的持續(xù)時間D2為：

第三階段(3～4)如圖5c所示，此時，開關(guān)S關(guān)斷，電感電流減小，電容繼續(xù)充電，電流關(guān)系為：

假設(shè)開始時刻3=0，則4=D3，4時刻輸出電壓恢復(fù)到期望值且電感電流為L1，第三階段的持續(xù)時間D3為：

所以，在整個負載突增的暫態(tài)過程中，電路的動態(tài)響應(yīng)時間D為：

綜合上述3階段可得負載電流突增過程電流、電壓應(yīng)如6圖所示。

圖6 負載電流突增過程示意圖

設(shè)=(i-E)/E，?L=L1-L2，由圖6有：

在過渡過程中，電容的充電電荷等于放電電荷，有：

綜合式(13)～式(15)，有：

2.2 負載電流突降過程分析

當負載電阻突然從L1增大到L2，即輸出電流從o1突降到o2，平均電感電流從L1突降到L2過渡過程分為三個階段, 等效電路如圖7所示。

第一階段(1～2)如圖7a所示，開關(guān)S關(guān)斷，電感電流減小，電容充電，電流關(guān)系為：

2時刻，電容的充電電流為零，輸出電壓值達到“上沖”最高點，可計算得第一階段持續(xù)時間D1為：

輸出電壓上沖的最高點電壓o,max為：

圖7 負載電流突降各階段的等效電路圖

第二階段(2~3) 如圖7b所示，開關(guān)S關(guān)斷，電感電流減小，電容放電，電流關(guān)系為：

推導(dǎo)得此階段的輸出電壓表達式為：

式中，L(0)=L1-(ED1/)。

3時刻，電感電流為零，該階段的持續(xù)時間D2為：

第三階段(3～4)如圖7c所示，開關(guān)S關(guān)斷，負載電流由電容提供。此階段的輸出電壓o()為：

4時刻，輸出電壓恢復(fù)到V，第三階段的持續(xù)時間D3為：

所以，在負載突降的暫態(tài)過程中，電路的動態(tài)響應(yīng)時間D為：

綜合上述3階段可得負載電流突降過程電流、電壓變化應(yīng)如圖8所示。

圖8 負載電流突降暫態(tài)過程示意圖

2.3 負載突變過程控制策略的制定

在工作過程中軟件判斷電路是否發(fā)生負載突變，并且判斷負載電流突增還是突降，如果是負載電流突增，就延長開關(guān)導(dǎo)通時間，使電感電流持續(xù)上升到突增后的平均電感電流值加設(shè)定的1值時再關(guān)斷開關(guān)，1的具體值由式(16)計算獲得?？刂撇呗匀缦率剿荆?/p>

如果是負載電流突降，就延長開關(guān)關(guān)斷時間，直到輸出電壓回落到期望輸出值之后，并且同時滿足電感電流小于滯環(huán)下限的條件時再開通開關(guān)?？刂撇呗匀缦率剿荆?/p>

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

設(shè)計采用ARM-STM32F407VGT6作為主控制芯片，具有1 MB Flash，192 KB RAM，3個內(nèi)置高速ADC和DMA等外設(shè)資源。系統(tǒng)上電初始化后，取電感電流、輸出電流、輸出電壓、輸入電壓的采樣值，計算出所需要的平均電感電流，執(zhí)行電流滯環(huán)穩(wěn)態(tài)控制。然后判斷負載電流是否突變，如果沒有，則程序返回繼續(xù)取采樣值執(zhí)行下一個循環(huán)；如果負載突變，程序執(zhí)行負載電流突變的暫態(tài)過程控制策略，分別為負載電流突增過程控制和負載電流突降過程控制。

圖9 系統(tǒng)控制流程圖

4 實驗驗證

改進后電流滯環(huán)控制策略電路參數(shù)設(shè)置與改進前的相同，即取L=700mH，C=1 200mF，滯環(huán)寬度D=100 mA，輸入電壓為額定值DC 18 V，輸出電壓為額定值DC 5.0 V，輸出負載電流范圍為0.18～1.13 A。

4.1 開關(guān)頻率測試

圖10為開關(guān)管驅(qū)動波形與電感電流波形，在額定輸入電壓18 V下測得開關(guān)頻率為49 kHz。

圖10 開關(guān)驅(qū)動波形和電感電流波形

4.2 改進后的負載電流突增響應(yīng)測試

改進后的負載電流突增暫態(tài)過程測試如圖11所示，輸出電壓的負載調(diào)整率小于2‰，動態(tài)過程響應(yīng)時間約為170 μs，暫態(tài)過程中輸出電壓“下沖”值不低于4.98 V。

圖11與圖3相比較，可以看出改進后的控制策略使得輸出電壓在“下沖”后很快恢復(fù)到期望值5.0 V，暫態(tài)過程的恢復(fù)時間和輸出電壓的負載調(diào)整率有了明顯改善。

圖11 改進后的負載電流突增時的實驗波形

4.3 改進后的負載電流突降響應(yīng)測試

改進后的負載電流突降暫態(tài)過程測試如圖12所示，輸出電壓的負載調(diào)整率小于3‰，動態(tài)過程響應(yīng)時間約為340 μs，暫態(tài)過程中輸出電壓“上沖”值不高于5.046 V。

圖12 改進后的負載電流突降時的實驗波形

圖12與圖4相比較，可以看出改進后的控制策略使得輸出電壓在“上沖”后很快恢復(fù)到期望值5.0 V，暫態(tài)過程的恢復(fù)時間和輸出電壓的負載調(diào)整率有了明顯改善。

5 結(jié)束語

通過硬件測試，驗證了改進后的控制策略的可行性和優(yōu)越性：

1) 改進后電流滯環(huán)控制策略使電路具有相同的穩(wěn)態(tài)特性的同時，明顯改善了負載突變時的動態(tài)特性，且克服了改進前負載調(diào)整率差的問題；

2) 與參考文獻[10]等其他電壓反饋控制法相比，改進后的滯環(huán)電流控制法不僅可以獲得控制精度高和紋波小等穩(wěn)態(tài)特性，同時具有動態(tài)響應(yīng)時間短和輸出電壓超調(diào)量小的特點。

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編 輯 稅 紅

Improvement to Digital Current Following Control Strategy in Buck DC-DC Converter

CHENG Hong-li1and JIA Long-fei2

(1. Communication and Information Engineering College, Xi’an University of Science and Technology Xi’an 710054; 2. Xinjiang TBEA Automatic Equipment Co.Ltd Changji Xinjiang 831000)

Based on the existing control strategy and experimental result of the digital current following controlling Buck DC-DC converter, the reasons why load chances the dynamic response time is long and the output voltage can not recover expected value are analyzed, and an improved control strategy is proposed. Based on the existing control strategy, the improved control strategy adds the detection of the load changes process. If the load changes occur, the new control strategy is switched automatically. According to the shock loading and unloading, the mathematical models of the changes are established respectively, the corresponding control strategies are designed, and the hardware test results are given. The experimental results show that the proposed control strategy is correct and feasible in steady state control and dynamic process control. On the basis of ensuring the output voltage accuracy in steady state, the dynamic performance of the converter is improved.

Buck DC - DC converter; current following control; dynamic response; load changes

TN86

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.06.003

2016-09-24；

2017-06-07

國家自然科學(xué)基金(51277149)

程紅麗(1966-)，女，教授，主要從事微電子和電力電子方面的研究.