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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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开关电源中不同控制方式的比较

公。Dhanasekaran, e . sowdesh Kumar先生，r. vijaybalaji先生
印度泰米尔纳德邦萨蒂亚曼加拉姆邦班纳里安曼理工学院EEE系PG学者
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

在我们的日常生活和工业中，开关电源几乎用于所有的电子设备。针对DC-DC变换器的控制，开发了多种控制方法。为了获得一种在任何条件下都具有最佳性能的控制方法总是需要的。本文的主要目的是研究在DC-DC变换器中实现的不同控制方法。本文综述了不同参数响应雷竞技苹果下载下的各种控制方法的比较。

关键字
电流控制，电压控制，滞回控制和转换器拓扑

介绍
DC - DC变换器必须在可变负载下提供可调节的直流输出电压，在可变负载和输入电压条件下提供可调节的输入电压。变流器组件的数值也随着时间、温度、压力等的变化而变化。因此，输出电压的控制应该以闭环方式执行，使用负反馈原理。PWM DC - DC变换器最常用的闭环控制方法是电压模式控制、电流模式控制和滞回控制。电压模式控制通常使用正向模式拓扑。在电压模式控制中，只监测输出电压。电流模式变换器通常与升压模式变换器一起使用，它监测输出电压和输出电流。在DC - DC变换器的其他控制方法中，滞回(或砰砰)控制的硬件实现非常简单。通过这种控制方法，可以使被监测参数保持在两个极限之间。本文对开关电源的三种控制方法进行了比较研究。

相关工作
在开关模式电源中，主要集中于电压模式和电流模式的控制方法。本文将滞回模式控制方法与电压模式和电流模式控制方法进行了比较，说明了滞回模式控制在开关电源中的特点和优势。

电压模式控制
当应用于dc-dc转换器时，电压反馈安排被称为电压模式控制。电压模式控制(VMC)因其设计简单、实现简单、对参考输入扰动具有良好的容错性而得到广泛应用。VMC只包含输出电压[8]的单个反馈回路。单回路电压模式控制用于比较输出电压和参考电压。两者之间的误差通过将控制电压与固定频率锯齿波形进行比较来控制开关占空比。应用开关占空比调整电感上的电压，从而调整电感电流，最终使输出电压达到其参考值。dc-dc变换器的电压模式控制有几个缺点，包括:
1.主开关可靠性差，
2.当几个变换器并联提供一个负载时，可靠性、稳定性或性能下降，
3.保持推挽式变换器的主变压器在其线性区域中心运行的复杂且通常效率低下的方法，以及
4.一个缓慢的系统响应时间，这可能是几十个开关周期。
图像
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电流模式控制
通过电流控制方法可以同时控制开关电源的输出电压和输出电流。它通常是升压模式转换器的首选。在这里，电压误差信号用于控制每个电源开关接通时磁性元件内的峰值电流。电流模式控制具有非常快的输入和输出响应时间，并具有固有的过电流保护。它通常用于正向模式转换器与电压模式控制相比，电流模式控制提供了一个额外的内部控制回路控制。感应电感电流并用于控制占空比，如图所示。通过比较输出电压Vo和参考电压Vref产生误差信号。
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然后利用该误差信号产生控制信号ic，感应电感电流并与控制信号ic进行比较，产生开关占空比，进而驱动变换器的开关。如果反馈回路关闭，电感电流与控制信号ic成正比，输出电压等于参考电压Vref。

滞回模式控制
滞回控制电源变换器具有固有的快速响应和鲁棒性，设计和实现简单。它们在暂态发生后立即响应扰动和负载变化，因此具有优异的暂态性能。此外，它们不需要闭环补偿网络的组件。这减少了实现中的组件数量和解决方案尺寸，并消除了在参数(如输入电压，电感，散装电容器)变化时调整网络组件值的设计工作。这些优点使滞回控制电源变换器成为一种很好的电源解决方案。尽管有这些优点，但使用滞回控制电源变换器的一个主要问题是稳定性问题。虽然固定频率PWM功率变换器的设计和分析已经利用平均和线性化方法得到了很好的发展，但对滞回控制功率变换器的分析很少，而且主要集中在大信号的动态响应上。这种方法不能反映稳态高频振荡。此外，常用的频域波德图在工作频率的一半以上是不准确的。与工作频率固定的PWM变换器不同，在某些负载条件或瞬态条件下，工作频率可能非常低。 For a same converter, the operating frequency can be a few hundred kHz for full load, but lower than around 10 kHz at very light load. The use of linear system tools may not be appropriate for variable operating frequency converters.[18]
滞回控制，也称为砰砰控制或纹波调节器控制，使变换器输出电压保持在以参考电压为中心的滞回带内。滞回控制调节器因其价格低廉、结构简单、易于使用而广受欢迎。滞回控制的优点是瞬态响应快，消除了反馈回路补偿。频率的变化是滞回控制的一个众所周知的特点。然而，磁滞控制变换器的调节不准确问题几乎不为工程师所知。在滞回调节器方面，研究主要集中在瞬态建模和瞬态分析方面。
A.变频滞回控制
本节介绍了可变开关频率的滞回控制变换器的基本思想。如图3所示，电压滞回控制器在滞回带内调节输出电压纹波。类似地，电流滞回控制器通过调节滞回带内的电感纹波或其缩放版本直接调节变换器的电感电流。
B.滞回电压模式控制
滞后电压模式控制是目前最简单的控制方法。操作的概念很简单。当输出电压低于最小设定值(即下边界)时，开关打开;当输出电压高于最大设定值(即上边界)时，开关关闭。在暂态工况下，变换器反应迅速，无需补偿网络即可得到较好的解决方案。然而，电压型滞回控制器的缺点是它依赖于变换器的输出电容寄生
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C.滞回电流模式控制
采用滞回电流模式控制方法可以控制电感电流的最大和最小值。在瞬态条件下提供快速响应的能力doesnÃⅱÂ ' Â不需要外部振荡器或锯齿发生器。图4给出了电流型滞回控制dc-dc变换器的框图。带反馈控制的功率变换器电路一般由:
1.带有开关和存储元件和wS DLC的电源级
2.内部控制器通过切换电路拓扑来保持转换器的工作原理，
3.外部控制器调整内部循环参考，以响应偏离所期望的输出。
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图中所示的控制系统由两个控制回路组成。一个是电流控制回路，另一个是电压控制回路。实际输出电压与参考电压之间的误差就是误差电压。P或PI控制块可以使用电压误差信号为滞回控制提供参考电流。因此，目前的滞回控制方法可以看作是一个滑模控制系统。滞回比较器实现了控制律
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式中，S为滑动面，定义为两个比较器输入之间的差值。
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其中K是电流传感增益，它有一个固定的值，是我们这里考虑的比例控制器的比例增益。从前面的章节中，我们知道buck变换器的功率电路是由两组微分方程描述的，它们是，
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设控制系统的两个状态变量为X1= (Vref - Vo)和X2 = iL，则求导，
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用状态变量表示的状态空间模型由，
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其中，“uâ '  '是一个不连续的输入，值为0或1。采用等效控制方法得到了系统的滑动动力学。控制输入的离散形式用连续函数代替。闭环系统的动力学，假设在开关面上存在一个理想滑动运动(无穷大开关频率)â ' ¢ ' Â，受以下条件的控制:
S = 0 => S = 0
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其中G是一个1 × n矩阵，上面的方程是，
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等效的连续控制输入ueq可以写成:
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该方程描述了变换器在SM工况下的运动方程。

vmc、CMC与滞回控制的比较
与电流模式控制和滞回控制方法相比，电压模式控制是开关电源中使用的传统控制方法。电流模式控制直接调节电感电流。该电流供给输出电容Cout和负载电阻RL。Cout和RL构成一阶系统，阶跃响应为指数函数。电压模式控制调节占空比t1/T，这意味着控制L上的电压。该电压作用于由L、Cout和RL组成的二阶系统。这种系统的阶跃响应是一个接近固定值的正弦暂态响应自1967年滞回模式控制被引入电力电子学以来，由于其稳定性好、动态性能快、价格低廉和易于使用的结构，已成为一种完善的控制策略
答:自动
如今，系统制造商不仅需要通过I2C控制的电压边际，而且还需要能够改变开关频率，例如在典型的±50%范围内。这个想法是能够避免在预发布的EMI/音频扫描后的某些频率。一般来说，在多个自由运行的稳压器以彼此相当接近的频率切换的情况下，也需要避免拍频。因此，自动调优的概念正在逐渐普及。设计公司花了很多时间从CMC或VMC开始，学习在频率发生变化时自动重新定位极点和零点。滞回控制，特别是COT，提供了没有传统回路补偿组件的优势。作为“按需能源”，它具有固有的自动调优能力。在未来滞回控制器因此被设计为自动调谐功能提供有效的支持。表2显示了电流控制、电压控制和滞回控制方法的比较。

结论
基于不同的转换器拓扑结构，对开关模式电源的不同控制方法进行了评估。对比研究了PWM控制器在稳态、负载响应和不同分量变化下对DC-DC变换器响应的影响。本文提出的控制技术的分类和综述将对SMPS研究人员和设计人员有所帮助。

参考文献





















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