電源工程師對(duì)于開關(guān)電源峰值電流型控制都比較熟悉,由于峰值電流型小信號(hào)精確模型的傳遞函數(shù)比較復(fù)雜,所以對(duì)于環(huán)路穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)一般都采用仿真的方法。筆者試圖通過建模,用解析的方法來分析環(huán)路的穩(wěn)定性,然后闡述電流內(nèi)環(huán)參數(shù)的選擇對(duì)電壓外環(huán)的影響。
對(duì)于開關(guān)電源峰值電流型反饋控制系統(tǒng)的精確建模,張衛(wèi)平教授在他的著作《開關(guān)變換器的建模與控制》一書中,已經(jīng)給出了完整的推導(dǎo)過程,這里筆者就不再贅述了,感興趣的讀者可以自行查看該書(新版)的第6章節(jié)的內(nèi)容(從186頁到226頁)。該書推導(dǎo)了從控制電壓Vc(s)到占空比d(s)的這一環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),但沒有進(jìn)一步論述外部的電壓環(huán)路傳遞函數(shù)和斜率補(bǔ)償對(duì)電壓環(huán)路穩(wěn)定性的影響。筆者就在張衛(wèi)平教授推導(dǎo)模型的基礎(chǔ)上,再推導(dǎo)完整的峰值電流型傳遞函數(shù)。接下來以BUCK電路為例說明,下圖為張教授推導(dǎo)的峰值電流型控制的小信號(hào)模型(時(shí)域下)。
其中,
,
D為占空比直流量,d(t)為占空比小信號(hào)擾動(dòng),Ts為PWM的開關(guān)周期,L為電感量,Ma為斜率補(bǔ)償系數(shù)。
以上面的模型為基礎(chǔ),再添加上輸出電壓及電感電流的反饋、占空比d(s)對(duì)輸出電壓和電感電流的控制,從而得出通用開關(guān)電源電路的拉氏變換控制系統(tǒng)框圖如下:
上圖中有兩點(diǎn)需要說明一下:
因?yàn)檩敵鲭娏鱥o(s)的增加,會(huì)引起輸出電壓Vo(s)的下降(電源輸出阻抗),所以上圖中的紅圈為負(fù)。
因?yàn)檩敵鲭娏鱥o(s)的增加,會(huì)引起電感電流IL(s)的增加,所以上圖中的紅圈為正。
在功率級(jí)框圖中,系統(tǒng)的輸入電壓和輸出電流做為系統(tǒng)的擾動(dòng),輸出電壓和電感電流做為系統(tǒng)的輸出,輸出電壓設(shè)定(Vref)做為控制系統(tǒng)的輸入,d(s)占空比分別控制輸出電壓和電感電流。上圖中的綠色方框部分有的已經(jīng)建模得到了相關(guān)的傳遞函數(shù),剩下沒有建模環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)將通過下面的推導(dǎo)得出。
通過對(duì)開關(guān)量進(jìn)行小信號(hào)線性等效,并將元器件中的寄生參數(shù)考慮進(jìn)去(Re為電感的等效電阻,Rc為電容的等效串聯(lián)電阻,RL為負(fù)載電阻),可以得到如下的BUCK變換器的模型(s域):
Vg表示直流量,Vg(s)表示小信號(hào)交流量。同理D表示直流量,d(s)表示小信號(hào)交流量,電路中其它變量交直流量表示方法也相同。
1)求Gvg傳遞函數(shù)
表示Vg(s)單獨(dú)影響Vo(s),所以要將d(s)置零并將io(s)對(duì)Vo(s)的影響忽略,從而得到下面的框圖:
通過上圖可得:
化簡可得:
2)求Mvg傳遞函數(shù)
根據(jù)上圖中次級(jí)回路的結(jié)構(gòu),可得到方程:
化簡可得:
3)求Gpv傳遞函數(shù)
,所以要將vg(s)置零并將io(s)對(duì)Vo(s)的影響忽略,可以得到如下的框圖:
化簡可得:
4)求Gpi傳遞函數(shù)
同樣根據(jù)上圖,有如下方程:
化簡可得:
5)求Zo(輸出阻抗)傳遞函數(shù)
將vg(s)和d(s)置零,得到如下框圖:
有如下的方程:
化簡:
6)求Avi傳遞函數(shù)
化簡:
至此,已經(jīng)將功率級(jí)環(huán)節(jié)所有的傳遞函數(shù)推導(dǎo)出來。
另外,電感電流采樣環(huán)節(jié)分為兩部分:Rs(電流互感器等效電阻),He(s)(連續(xù)域電流峰值采樣傳遞函數(shù))。
其中He(s)可以近似等效為:
式了中的,
接下來,以一個(gè)BUCK電路為例,來具體說明是如何應(yīng)用上面推導(dǎo)出的傳遞函數(shù)計(jì)算電壓環(huán)路的補(bǔ)償Gvc
BUCK電路的參數(shù)如下:
輸入電壓: 30V最小 60V最大 45V額定值
輸出電壓:15V
輸出電流:10A
開關(guān)頻率:100KHz
互感器的匝比: 1:100
互感器次級(jí)取樣電阻:15Ω
電感量:28uH,等效電阻2mΩ
輸出電容:330uF,等效電阻20mΩ
一)電流內(nèi)環(huán)的Bode圖:
電流內(nèi)環(huán)框圖:
內(nèi)環(huán)電流環(huán)路設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是:找到斜率補(bǔ)償系數(shù)Ma的值,使電感電流IL(s)穩(wěn)定,不會(huì)產(chǎn)生次諧波振蕩。根據(jù)上圖,可以得到電流環(huán)路的開環(huán)增益Ti(s):
其中:
用MathCAD繪制Ti(s)的bode圖,并以Ma為變量進(jìn)行掃描,畫出曲線:
Ma的取值從1.2*10^5 A/s到6*10^5 A/s,可以得到一組曲線,當(dāng)Ma小于1.2*10^5 A/sec,環(huán)路就不再穩(wěn)定。Ma也不是越大越好,Ma的增大會(huì)降低穿越頻率,導(dǎo)致電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)變慢,還會(huì)影響抗輸入擾動(dòng)的性能和輸出的阻抗。
二)控制電壓Vc(s)到輸出電壓Vo(s)的傳遞函數(shù)Ac(s):
將Vg(s)和Io(s)置零后,可以得到如下的框圖:
根據(jù)上面的框圖可以得到兩個(gè)等式:
從而可得:
畫出bode圖:
當(dāng)Ma小于等于1.2*10^5以后,將會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著Ma的增大,會(huì)發(fā)現(xiàn)Ac(s)逐漸向電壓型控制狀態(tài)演化,當(dāng)Ma取值6*10^6時(shí),已經(jīng)完全演變?yōu)殡妷盒涂刂啤?/p>
在本環(huán)節(jié),Ma的取值原則是:削掉幅頻曲線中的尖峰,同時(shí)要保證不會(huì)變?yōu)殡妷盒涂刂骗h(huán)路。Ma既不能太小,也不能太大。這與調(diào)試中的經(jīng)驗(yàn)比較吻合,Ma補(bǔ)償不夠時(shí),會(huì)出現(xiàn)次諧波振蕩,Ma補(bǔ)償過大,就會(huì)變成電壓型控制。
三)抗輸入擾動(dòng)Mvcl(s)(電流閉環(huán),電壓開環(huán)情況下):
在忽略io(s)的影響且Vref置零的情況下,得到如下框圖:
根據(jù)上面框圖,可得到一組方程:
化簡:
因?yàn)橐蟮幂敵鲭妷旱淖兓詰?yīng)當(dāng)將電壓環(huán)路斷開,電流內(nèi)環(huán)閉合時(shí),畫出Mvcl的bode圖:
可以看到,Mvcl(s)增益越小(曲線越低),輸入電壓Vi(s)對(duì)輸出電壓Vo(s)的影響越小。隨著Ma的變化Mvcl(s)增益并不單調(diào),當(dāng)Ma取值2.7*10^5時(shí),Mvcl的增益最低,即輸入電壓Vi(s)對(duì)輸出電壓Vo(s)的影響最小
四)輸出阻抗Zocl(s)(電流閉環(huán),電壓開環(huán)情況下):
當(dāng)Vg(s)=Vref=0時(shí),得到如下方框圖:
有下面一組方程:
化簡:
在電流內(nèi)環(huán)閉合,電壓外環(huán)開環(huán)的情況下,畫出bode圖:
注意Zocl(s)的增益是個(gè)負(fù)數(shù)。在低頻段,|Zocl(s)|絕對(duì)值越大(曲線越低),對(duì)Vo的影響越大。即:在低頻段,隨著Ma的取值的增大(曲線越低),抵抗負(fù)載擾動(dòng)的能力越差,因此從負(fù)載抗擾動(dòng)的角度看,Ma的取值越小越好。
上面的計(jì)算過程,分別從電流環(huán)路穩(wěn)定性、電流型向電壓型的演化過程、輸入電壓抗擾度和負(fù)載抗擾度這四個(gè)方面說明了斜率補(bǔ)償系數(shù)Ma的選擇原則,綜上可以選擇:
下面就以Ma這個(gè)值為基礎(chǔ)來計(jì)算外部電壓環(huán)路的補(bǔ)償參數(shù)。
首先,根據(jù)Ma的取值,畫出電流環(huán)路的開環(huán)增益Ti(s)的bode圖:
穿越頻率14KHz,相位裕度65°。
Vc到Vo的傳函Ac(s)的bode圖:
上圖中的Ac(s)已經(jīng)是穩(wěn)定的狀態(tài)了,只是低頻的增益比較小,穩(wěn)態(tài)誤差較大。
五)電壓環(huán)路設(shè)計(jì):
將前面的電壓環(huán)路進(jìn)行整理得到框圖:
因?yàn)榭刂齐妷篤c到Vo的傳遞函數(shù)Ac(s)已經(jīng)在前面求得,所以電壓環(huán)路開環(huán)增益Tv(s)就是:
電壓環(huán)路的設(shè)計(jì),主要是加大電壓環(huán)路低頻開環(huán)增益以消穩(wěn)態(tài)誤差,并讓幅頻曲線穿越頻率盡量高些,保證快速性,因此針對(duì)Gvc(s)補(bǔ)償?shù)男枨螅梢杂孟旅娴碾娐罚?/p>
把Gvc(s)傳遞函數(shù)的零點(diǎn)放在600Hz,初始極點(diǎn)1.5KHz位置后,經(jīng)過計(jì)算,得到如下參數(shù):
Rin=10k RLow=2k Cf=10.6nF Rf=25k
根據(jù)上面參數(shù),畫出Gvc(s)的bode圖:
需要注意的一點(diǎn)是:上圖中的補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)已經(jīng)包含GFB及相減的功能了,所以電壓環(huán)路開環(huán)增益Tv(s)改為:
然后,以上組參數(shù)為基礎(chǔ),畫出Tv(s)的bode圖:
從該圖中,可以看到電壓開環(huán)bode圖的穿越頻率為8.2KHz,相位裕度為90°。
再用SIMPLIS仿真驗(yàn)證上面的計(jì)算是否正確。
通過AC交流仿真后,得到電壓環(huán)路的bode圖:
仿真得到電壓開環(huán)穿越頻率為8.26KHz,相位裕度為88.5°,與解析法計(jì)算出來的結(jié)果相一致。證明了解析法的正確性。
從仿真出來的波形看,該曲線能仿真出開關(guān)頻率對(duì)bode圖的影響,而解析法無法計(jì)算出來。
最后總結(jié):
峰值電流控制環(huán)路計(jì)算的起點(diǎn)是Ma的選擇,Ma不僅影響電流內(nèi)環(huán)的穩(wěn)定性,還對(duì)輸入抗擾性、負(fù)載抗擾性及電壓環(huán)路也有很深的影響,通過解析的方法,可以發(fā)現(xiàn)Ma的變化是如何將電流型演變成電壓型的。
一般,對(duì)于BUCK電路來說,占空比不超過50%時(shí),IL(s)是不存在振蕩的,是內(nèi)在穩(wěn)定的,理論上不需要斜率補(bǔ)償。但Ma斜率補(bǔ)償?shù)倪x擇卻會(huì)影響電壓環(huán)路的穩(wěn)定,所以即使占空比不超過50%,也應(yīng)該選擇合適的Ma,然后再計(jì)算電壓補(bǔ)償參數(shù)。
在附件中有本例全部的計(jì)算書及仿真文件,計(jì)算書是用MathCad Prime 8.0編寫的,版本低的請(qǐng)自行升級(jí)。仿真文件用Simplis 8.40b版本。