中國船舶重工集團公司第七一五研究所　馮永平

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平均電流模式PWM降壓開關電源設計探討

中國船舶重工集團公司第七一五研究所馮永平

【摘要】在通訊和電子等多個領域，PWM開關電源得到了廣泛的應用。而隨著電子產品對電源性能要求的提高，還要使用平均電流控制模式對電源進行高精度控制。因此，本文在分析開關電源控制方式的基礎上，對平均電流模式PWM降壓開關電源的設計問題展開了探討，從而為關注這一話題的人們提供參考。

【關鍵詞】平均電流模式；PWM；降壓開關電源；設計

0　引言

就目前來看，使用平均電流控制模式可以較好的進行PWM開關電源的精度控制。但是，使用該種控制模式，還要確保系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，從而使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應特性。因此，有必要對平均電流模式PWM降壓開關電源設計問題展開探討，從而更好的完成開關電源的設計。

1　開關電源控制方式

開關電源其實就是一個能夠實現(xiàn)DC-DC變換的系統(tǒng)，由主電路和控制電路構成。而基于PWM控制的開關電源系統(tǒng)的功率開關動作將受到固定脈沖波控制，并且其脈寬將隨負載和輸入電壓值的變動而發(fā)生變化。針對使用PWM控制方式的開關電源，其控制電路需要進行開關管通斷的控制，以便通過調節(jié)輸出電壓控制主電路的工作。從控制參數(shù)選擇方面來看，電源的控制方式主要有兩種，即電流模式和電壓模式。其中，電流模式主要由平均電流模式和峰值電流模式構成。而平均電流模式能夠精確進行電流設定值的跟蹤，并且具有高增益電流放大器，能夠在任意電路拓撲上應用[1]。同時，該模式具有較強的噪聲一直能力，并且無須斜坡補償。所以，在設計開關電源時，可以優(yōu)先選擇該種電源控制模式。

2　平均電流模式PWM降壓開關電源的設計

2.1系統(tǒng)設計思路

從根本上來講，平均電流控制模式就是通過將電壓電流平均值設置成電流控制內環(huán)的控制信號對開關電源進行控制的。在一個開關周期內，電感電流積分值將與電流平均值成正比。所以，通過控制電流積分值能控制電感電流的平均值。比如在Buck型開關電源中，輸入電壓維持恒定，所以可以忽略其輸出電壓的紋波。通過在電流控制環(huán)路中增設能夠進行積分調節(jié)的電流誤差放大器，就能夠實現(xiàn)平均電流控制。在每個開關周期內，可以根據(jù)該放大器的同向輸入端電壓確定平均電流設定值，然后通過檢測取樣電阻電壓信號求得電感電流實際值。將這些電流輸送至放大器，就能夠使電感產生高頻極點，繼而對電路的高頻噪聲進行抑制。而通過計算比例積分，并且選擇適合的電路參數(shù)，就能夠確?？刂齐娐返姆€(wěn)定性。

2.2系統(tǒng)建模

在設計降壓型開關電源時，為了保持輸出電壓或電流的穩(wěn)定，可以使用負反饋控制，并且以Buck型降壓電路為基礎模型。相較于采取峰值電流控制模式的PWM降壓開關電源，使用平均電流控制模式的PWM降壓開關電源需要在電流環(huán)路中增設電流調節(jié)器。在實現(xiàn)系統(tǒng)功率控制時，需要建立功率級模型。而該模型中含有多個輸出變量和輸入變量，分析的目的是得知占空比對輸出電壓和電感電流的控制關系，并且了解輸入電壓對二者的影響。就目前來看，不同類型的開關電源主電路連接方式不同，但是各物理量之間的關系在功率級電路中保持不變。所以，可以直接將開關級線性等效電路嵌入PWM降壓開關電源拓撲結構中，從而獲得功率級模型[2]。在此基礎上，可以進行系統(tǒng)控制回路的建模。而控制回路由電流檢測環(huán)節(jié)、電流調節(jié)器、電壓調節(jié)器、電阻分壓器和占空比調制器構成。其中，電流檢測環(huán)節(jié)由電流檢測放大器和電感元件串聯(lián)電阻組成，可以對閉環(huán)電壓進行放大。電流調節(jié)器由電阻電容網(wǎng)絡和運放構成，需要接收來自于電流檢測環(huán)節(jié)的兩個輸入信號，并且通過計算電流信號的運算關系進行電流的調節(jié)。在控制回路中，還需要利用占空比調制器接收調節(jié)器運算后輸出的電壓和斜坡輸入電壓，然后求得系統(tǒng)占空比變化量與電壓信號之間的關系。在該環(huán)節(jié)，電流斜率和幅度將發(fā)生改變，所以能夠實現(xiàn)對電流的控制。而通過求取各模塊的傳遞函數(shù)，就能夠得到如下圖1的平均電流模式PWM降壓開關電源系統(tǒng)模型。

圖1　平均電流模式PWM降壓開關電源系統(tǒng)模型

在電壓環(huán)處在開路狀態(tài)的情況下，可以用Ti(s)定義電流環(huán)的開環(huán)環(huán)路電流增益?zhèn)鬟f函數(shù)。而分析電流增益，可以為設定系統(tǒng)電流調節(jié)器的電路參數(shù)提供依據(jù)，繼而使系統(tǒng)更加穩(wěn)定和快速。在電壓負反饋環(huán)斷開時，電流環(huán)路增益可以利用下式（1）計算。在電壓環(huán)斷開、電流環(huán)閉合的情況下，輸入信號為控制電壓vc，輸出信號為負載電壓v0，并且控制電壓可以控制負載電壓。利用建立的系統(tǒng)模型，可以進行電流環(huán)路增益的低頻增益、相位裕度和截止頻率的反映，可以使系統(tǒng)具有較高的精度[3]。在設計實際電路系統(tǒng)時，可以使實際電路結構與模型各環(huán)節(jié)一一對應，繼而使系統(tǒng)的設計保持較高精度。

2.3仿真分析

為了對系統(tǒng)模型的準確性進行驗證，可以使用Matlab模擬畫出系統(tǒng)控制電壓對輸出電壓控制傳遞函數(shù)Bode圖。采取上述方法，可以設計一個30V/50A的全橋開關電源，開關頻率為20kHz，輸入電壓變化率可達±10%。而電源的濾波電容為1000uF，濾波電感為1mH。如下圖2所示，開關電源相角裕度要大于45°，所以系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。同時，系統(tǒng)穿越頻率較高，所以系統(tǒng)具有一定的快速性。此外，在向系統(tǒng)外加干擾電壓時，系統(tǒng)輸出電壓仍然能夠保持穩(wěn)定[4]。因此，設計出的開關電源建立了穩(wěn)定電壓，從而使系統(tǒng)具有了良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應特性。

圖2　控制系統(tǒng)Bode圖

3　結論

總而言之，使用平均電流模式的PWM控制技術進行開關電源的設計，可以獲得一種基于平均電流PWM的降壓開關電源建模方案。在設計的過程中，可以通過建立功率級傳遞函數(shù)建立相應的系統(tǒng)模型，并且利用Matalb進行模型精確性的驗證，從而據(jù)此完成系統(tǒng)的設計。而通過驗證可以發(fā)現(xiàn)，平均電流模式PWM降壓開關電源具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應特性。

參考文獻

[1]劉江,胡萍,何光俊.開關電源仿電流控制方法研究[J].通信電源技術,2010(2):18-22.

[2]李文曉,李宏.PWM開關電源全橋DC-DC變換器的建模與控制設計[J].工業(yè)控制計算機,2015(2):137-138+140.

[3]徐洪韜.一種平均電流控制型開關調節(jié)系統(tǒng)的建模[J].電子設計工程,2013(7):112-114.

[4]向敏,趙星宇.一種便攜式通信設備開關電源設計[J].科技視界,2014(2):54-55+244.