徐小琪

（安徽涉外經(jīng)濟職業(yè)學(xué)院 安徽·合肥 230011）

dc-dc開關(guān)電源的很多性能參數(shù)都和開關(guān)頻率、負(fù)載等因素相關(guān)，是在持續(xù)變化之中的。設(shè)計dc-dc自適應(yīng)控制系統(tǒng)，讓控制參數(shù)可以隨著外界環(huán)境和使用需求來自適應(yīng)調(diào)整，讓系統(tǒng)在不同條件下均可以具有穩(wěn)定的性能，成為dc-dc開關(guān)變換器優(yōu)化的方向。

1 自適應(yīng)數(shù)字變換器方案

以Buck變換器為例來分析dc-dc開關(guān)變換器的數(shù)字控制方式，研究數(shù)字控制方法，提高系統(tǒng)性能，減小控制產(chǎn)生的誤差，分析數(shù)字控制系統(tǒng)的頻域相應(yīng)，進(jìn)一步對數(shù)字控制dc-dc開關(guān)變換器進(jìn)行自適應(yīng)控制方法的研究。圖1為dc-dc開關(guān)變換器模型。

圖1：dc-dc開關(guān)變換器模型

圖中虛線框部分是電路的數(shù)字控制模塊，其基本原理在于，對輸出電壓進(jìn)行采樣，與輸出電壓相比較，得到誤差電壓Ve，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以將誤差電壓轉(zhuǎn)換為圖中的數(shù)字信號Ve[n]，通過PID/PD/PI進(jìn)行補償，結(jié)合自適應(yīng)控制算法，得到數(shù)字控制信號，產(chǎn)生脈沖信號，通過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字信號與模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驅(qū)動開關(guān)元器件，控制其通斷。如果負(fù)載發(fā)生變化，輸出低電壓Vout會隨著負(fù)載變化而變化，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的部分參數(shù)則會跟隨Vout的變化而變化，系統(tǒng)運用自適應(yīng)控制技術(shù)補償系統(tǒng)相位和增益，讓系統(tǒng)瞬態(tài)迅速穩(wěn)定。

2 基于dc-dc開關(guān)變換器的自適應(yīng)控制等效模型

dc-dc數(shù)字開關(guān)變換器的傳遞函數(shù)模型如圖2所示。

圖2：dc-dc數(shù)字開關(guān)變換器的傳遞函數(shù)模型

根據(jù)傳遞函數(shù)模型所示，Vout是電路輸出電壓，Vref為電路參考電壓，H（z）是系統(tǒng)反饋的傳遞函數(shù)，Ge（z）為補償系統(tǒng)傳遞函數(shù)，Ap（z）標(biāo)識的是增加采樣保持后的功率傳遞函數(shù)。Dc-dc數(shù)字控制開關(guān)變換器的輸出電壓取模擬量，經(jīng)過取樣之后，與A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。誤差電壓經(jīng)補償環(huán)節(jié)后呈現(xiàn)的控制信號直接是數(shù)字量。主電路參數(shù) Vin取12-15V之間，電感L取35uH,輸出電容1450uf，電容串聯(lián)獲得的阻抗R為50m，輸出電阻R為1，參考電壓1.5V，開關(guān)頻率取100kHz，輸出電壓5V，輸出電流5A，波紋不能大于45mV。數(shù)字控制電路中采樣系數(shù)取0.28，轉(zhuǎn)換器分辨率可調(diào)，調(diào)整為8位，分辨率調(diào)整為10位。則dc-dc開關(guān)變換器的功率傳遞函數(shù)如下：

3 基于dc-dc開關(guān)變換器的自適應(yīng)控制方法參數(shù)調(diào)整

3.1 補償器設(shè)計

通常情況下，補償網(wǎng)絡(luò)在開關(guān)變換器的控制回路中可以起到以下作用：首先是信號放大作用，將采樣電壓和參考電壓相比較，獲得誤差信號反向方法，提供控制信號，也就是輸出電壓高于標(biāo)準(zhǔn)電壓時，補償網(wǎng)絡(luò)就會減小控制信號，如果輸出電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓，補償網(wǎng)絡(luò)就會增大控制信號。其次，對系統(tǒng)進(jìn)行合理的相位與幅度補償，讓系統(tǒng)具備更高的相位和幅度的變換裕度，確保系統(tǒng)的瞬態(tài)穩(wěn)定。計算機技術(shù)推動了開關(guān)變換器的數(shù)字控制技術(shù)的研究，控制領(lǐng)域從模擬控制進(jìn)入數(shù)字控制階段。使用計算機組成控制系統(tǒng)，設(shè)定邏輯功能，編寫代碼來模擬電路中的高功率、電阻、電容等參數(shù)，通過軟件進(jìn)行控制，系統(tǒng)非常便捷，實時性較強。數(shù)字補償網(wǎng)絡(luò)也可以運用編碼方式解決。數(shù)字控制是將系統(tǒng)偏差、微分和計分運用線性組合構(gòu)建控制器的控制量系統(tǒng)，對開關(guān)的參數(shù)與通斷進(jìn)行控制，從而控制輸出。在這樣的數(shù)字控制電路中，物理意義非常明確，便于程序化調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)的相應(yīng)速度很快，系統(tǒng)出現(xiàn)擾動誤差，則能夠迅速調(diào)節(jié)。但是要根據(jù)系統(tǒng)情況選擇比例調(diào)節(jié)的程度，比例調(diào)節(jié)過大也會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)過大的瞬態(tài)變化。積分調(diào)節(jié)可以消除系統(tǒng)靜差中出現(xiàn)的誤差，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好。如果自動控制器出現(xiàn)了積分環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)比例不易控制，動態(tài)響應(yīng)不足。在此時加入微分環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度，減小調(diào)節(jié)時間間隔，讓系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定。

3.2 參數(shù)調(diào)節(jié)

每個控制周期開始時，設(shè)定電壓變化整定值。dc-dc開關(guān)變換器會對實際的輸出電壓與參考電壓加以對比，計算誤差信號Ve，經(jīng)過ADC，把模擬信號Ve轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號Verror（n）；該信號的絕對值與電壓的絕對值進(jìn)行比較，如果數(shù)字信號絕對值大于電壓絕對值，則執(zhí)行下個步驟，如果數(shù)字信號絕對值小于電壓絕對值，則整定系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)前的周期誤差和前一個周期誤差相等，也就是Verror(n)=Verror(n-1),不再計算誤差信號的波動，重復(fù)循環(huán)各個步驟。這個算法，需要整定值與系統(tǒng)電壓進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，其他電壓則是被動狀態(tài)，需要進(jìn)行自適應(yīng)監(jiān)測。應(yīng)該注意的是，整定值在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下并不穩(wěn)定，不能用來代替常規(guī)的整定值，整定值只能在瞬態(tài)情況下使用。

3.3 系統(tǒng)仿真驗證

在軟件平臺上搭建一個dc-dc開關(guān)變換器的數(shù)字電壓控制開關(guān)變換器仿真模型。模型包含控制電路，主動率線路采用的電路模型讓控制過程更加直觀具體，也提高了仿真結(jié)果的精確性。外圍電路包含了ADC、補償模塊和采樣電路模塊。ADC模塊，包含延遲模塊，0階保持器，數(shù)字量化模塊，系統(tǒng)限幅模塊，增益部分。延遲模塊可以將模擬電路以為元器件過多過于老化等問題導(dǎo)致的延時情況也模擬出來，0階保持器可以在不同時刻將采樣值保持到下一個時刻，能夠確保周期內(nèi)有一個穩(wěn)定的值，直至下個周期到來，值才會變化。量化模塊將采樣模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，ADC將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字電壓信號，并且為下一階段的控制提供輸入信號。主電路參數(shù)輸入到仿真電路中，使用自適應(yīng)控制法之后，系統(tǒng)的瞬態(tài)反應(yīng)時間比普通的控制方法減少了0.1ms，上沖電壓減少了200mV，輸出定壓的紋波更加穩(wěn)定，表明自適應(yīng)控制能夠減小輸出電壓的波動幅度，確保系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)定性。

dc-dc開關(guān)變換器中，開關(guān)頻率改變也會引起系統(tǒng)效率和功耗的改變，但是并不影響系統(tǒng)整體性能。開關(guān)變換器的頻率提高，則系統(tǒng)傳輸損耗會增大。為了避免出現(xiàn)較大損耗，提高傳輸效率，提出一種在開關(guān)變換器發(fā)生頻率變化時采用動態(tài)自適應(yīng)算法來進(jìn)行數(shù)字控制的方法，優(yōu)化電路控制方法，減少電磁干擾對系統(tǒng)電路數(shù)字控制帶來的壓力。隨著開關(guān)變換器頻率增加，輸出電壓與輸出的電流波形更加平滑，瞬態(tài)變化發(fā)生時，輸出電壓過沖比傳統(tǒng)方式降低了190mV,但是瞬態(tài)響應(yīng)時間幾乎一致，說明開關(guān)變換器頻率變化對系統(tǒng)的瞬態(tài)性能無影響。

4 結(jié)語

本文對dc-dc開關(guān)變換器的自適應(yīng)控制技術(shù)展開分析，介紹了自適應(yīng)控制的電路補償器設(shè)計方案，對自適應(yīng)控制的算法流程進(jìn)行闡述，運用自適應(yīng)控制算法對開關(guān)變換器，適當(dāng)?shù)呢?fù)載出現(xiàn)跳變情況時，可以通過調(diào)整參數(shù)來維持輸出的穩(wěn)定。自適應(yīng)控制是準(zhǔn)確可靠的，該系統(tǒng)算法能夠確保系統(tǒng)穩(wěn)定，也提高了系統(tǒng)整體性能。