電源工程師對于開關電源峰值電流型控制都比較熟悉,由于峰值電流型小信號精確模型的傳遞函數(shù)比較復雜,所以對于環(huán)路穩(wěn)定性的設計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,然后闡述電流內環(huán)參數(shù)的選擇對電壓外環(huán)的影響。
對于開關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《開關變換器的建模與控制》一書中,已經給出了完整的推導過程,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)的內容(從186頁到226頁)。該書推導了從控制電壓Vc(s)到占空比d(s)的這一環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),但沒有進一步論述外部的電壓環(huán)路傳遞函數(shù)和斜率補償對電壓環(huán)路穩(wěn)定性的影響。筆者就在張衛(wèi)平教授推導模型的基礎上,再推導完整的峰值電流型傳遞函數(shù)。接下來以BUCK電路為例說明,下圖為張教授推導的峰值電流型控制的小信號模型(時域下)。
其中,
,
D為占空比直流量,d(t)為占空比小信號擾動,Ts為PWM的開關周期,L為電感量,Ma為斜率補償系數(shù)。
以上面的模型為基礎,再添加上輸出電壓及電感電流的反饋、占空比d(s)對輸出電壓和電感電流的控制,從而得出通用開關電源電路的拉氏變換控制系統(tǒng)框圖如下:
上圖中有兩點需要說明一下:
因為輸出電流io(s)的增加,會引起輸出電壓Vo(s)的下降(電源輸出阻抗),所以上圖中的紅圈為負。
因為輸出電流io(s)的增加,會引起電感電流IL(s)的增加,所以上圖中的紅圈為正。
在功率級框圖中,系統(tǒng)的輸入電壓和輸出電流做為系統(tǒng)的擾動,輸出電壓和電感電流做為系統(tǒng)的輸出,輸出電壓設定(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建模得到了相關的傳遞函數(shù),剩下沒有建模環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)將通過下面的推導得出。
通過對開關量進行小信號線性等效,并將元器件中的寄生參數(shù)考慮進去(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)表示小信號交流量。同理D表示直流量,d(s)表示小信號交流量,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)單獨影響Vo(s),所以要將d(s)置零并將io(s)對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)
根據上圖中次級回路的結構,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,已經將功率級環(huán)節(jié)所有的傳遞函數(shù)推導出來。
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BUCK電路為例,來具體說明是如何應用上面推導出的傳遞函數(shù)計算電壓環(huán)路的補償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
開關頻率:100KHz
互感器的匝比: 1:100
互感器次級取樣電阻:15Ω
電感量:28uH,等效電阻2mΩ
輸出電容:330uF,等效電阻20mΩ
一)電流內環(huán)的Bode圖:
電流內環(huán)框圖:
內環(huán)電流環(huán)路設計的主要目標是:找到斜率補償系數(shù)Ma的值,使電感電流IL(s)穩(wěn)定,不會產生次諧波振蕩。根據上圖,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的增大會降低穿越頻率,導致電流內環(huán)的響應變慢,還會影響抗輸入擾動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:
根據上面的框圖可以得到兩個等式:
從而可得:
畫出bode圖:
當Ma小于等于1.2*10^5以后,將會出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著Ma的增大,會發(fā)現(xiàn)Ac(s)逐漸向電壓型控制狀態(tài)演化,當Ma取值6*10^6時,已經完全演變?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,同時要保證不會變?yōu)殡妷盒涂刂骗h(huán)路。Ma既不能太小,也不能太大。這與調試中的經驗比較吻合,Ma補償不夠時,會出現(xiàn)次諧波振蕩,Ma補償過大,就會變成電壓型控制。
三)抗輸入擾動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:
根據上面框圖,可得到一組方程:
化簡:
因為要求得輸出電壓的變化,所以應當將電壓環(huán)路斷開,電流內環(huán)閉合時,畫出Mvcl的bode圖:
可以看到,Mvcl(s)增益越?。ㄇ€越低),輸入電壓Vi(s)對輸出電壓Vo(s)的影響越小。隨著Ma的變化Mvcl(s)增益并不單調,當Ma取值2.7*10^5時,Mvcl的增益最低,即輸入電壓Vi(s)對輸出電壓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Vg(s)=Vref=0時,得到如下方框圖:
有下面一組方程:
化簡:
在電流內環(huán)閉合,電壓外環(huán)開環(huán)的情況下,畫出bode圖:
注意Zocl(s)的增益是個負數(shù)。在低頻段,|Zocl(s)|絕對值越大(曲線越低),對Vo的影響越大。即:在低頻段,隨著Ma的取值的增大(曲線越低),抵抗負載擾動的能力越差,因此從負載抗擾動的角度看,Ma的取值越小越好。
上面的計算過程,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載抗擾度這四個方面說明了斜率補償系數(shù)Ma的選擇原則,綜上可以選擇:
下面就以Ma這個值為基礎來計算外部電壓環(huán)路的補償參數(shù)。
首先,根據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)路設計:
將前面的電壓環(huán)路進行整理得到框圖:
因為控制電壓Vc到Vo的傳遞函數(shù)Ac(s)已經在前面求得,所以電壓環(huán)路開環(huán)增益Tv(s)就是:
電壓環(huán)路的設計,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Gvc(s)補償?shù)男枨?,可以用下面的電路?/p>
把Gvc(s)傳遞函數(shù)的零點放在600Hz,初始極點1.5KHz位置后,經過計算,得到如下參數(shù):
Rin=10k RLow=2k Cf=10.6nF Rf=25k
根據上面參數(shù),畫出Gvc(s)的bode圖:
需要注意的一點是:上圖中的補償器的傳遞函數(shù)已經包含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,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仿真驗證上面的計算是否正確。
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°,與解析法計算出來的結果相一致。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頻率對bode圖的影響,而解析法無法計算出來。
最后總結:
峰值電流控制環(huán)路計算的起點是Ma的選擇,Ma不僅影響電流內環(huán)的穩(wěn)定性,還對輸入抗擾性、負載抗擾性及電壓環(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,對于BUCK電路來說,占空比不超過50%時,IL(s)是不存在振蕩的,是內在穩(wěn)定的,理論上不需要斜率補償。但Ma斜率補償?shù)倪x擇卻會影響電壓環(huán)路的穩(wěn)定,所以即使占空比不超過50%,也應該選擇合適的Ma,然后再計算電壓補償參數(shù)。
在附件中有本例全部的計算書及仿真文件,計算書是用MathCad Prime 8.0編寫的,版本低的請自行升級。仿真文件用Simplis 8.40b版本。