高頻開關電源控制方案設計與研究

摘要：高頻開關電源控制回路傳統的方法是采用電壓模式單閉環控制，這種控制方法響應較慢，也不能對功率器件進行實時電流限制。為了實現輸出電壓電流均可控，通常采用電流模式控制，常用電流模式控制有峰值電流控制法和平均電流控制法。本文對高頻開關電源平均電流模式控制方案設計進行探討。 敘詞：高頻 控制 設計 Abstract：Voltage-mode single closed-loop control is the usual way to control loop in high-frequency switch power supply control, which is relatively slow in response and also cannot restrict power components from real-time current. Voltage-mode control is usually used to make both out-put voltage and current controllable and general voltage-mode control includes peak current control and average current control. This paper discusses design scheme for average current control in high-frequency switch power supply. Keyword：High frequency, Control, Design
1 電壓電流雙環控制

為了實現輸出電壓電流均可控，通常采用電流模式控制，常用電流模式控制有峰值電流控制法和平均電流控制法。但是，峰值電流控制有以下幾個缺點[1]：

① 占空比大于50%的開環不穩定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差；

② 閉環響應不如平均電流模式控制理想；

③ 容易發生次諧波振蕩，即使占空比小于50%，也有發生高頻次諧波振蕩的可能性。因而需要斜坡補償；

④ 對噪聲敏感，抗噪聲性差。因為電感處于連續儲能電流狀態，與控制電壓編程決定的電流電平相比較，開關器件的電流信號上斜坡通常較小，電流信號上的較小噪聲很容易使開關器件改變關斷時刻，使系統進入次諧波振蕩。

2 平均電流模式控制PWM

平均電流模式采用雙閉環控制，其內環控制輸出濾波電感電流，外環控制輸出電壓，提高了系統響應速度。圖1為平均電流模式控制PWM的原理圖。

圖1 平均電流模式控制原理圖

將誤差電壓信號Ue接至電流誤差信號放大器的同相端，作為輸出電感電流反饋的控制信號Uip。將帶有鋸齒紋波狀分量的輸出電感電流反饋信號Ui ，接至電流誤差信號放大器的反相端，跟蹤電流控制信號Uip。Ui與Uip的差值經過電流誤差放大器放大后，得到平均電流跟蹤誤差信號UC。再由UC與三角鋸齒波信號通過比較器比較得到PWM控制信號。UC的波形與電流波形Ui反相，所以，是由UC的下斜坡（對應于開關器件導通時期）與三角波的上斜坡比較產生控制信號。顯然，這就無形中增加了一定的斜坡補償。但為了穩定工作，要求電感電流的下降坡度不能大于晶振的坡度。
平均電流模式控制的優點是：

① 電感電流能夠高度精確地跟蹤電流控制信號；

② 不需要斜坡補償；

③ 調試好的電路抗噪聲性能優越；

④ 適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制；

⑤ 易于實現均流。

3 小信號分析及電流、電壓環PI調節器參數設計

這種控制方式有恒壓和恒流兩種工作方式。當D1導通時，電路工作在恒流模式，此時，電壓環不起作用，電路相當于單環控制。當D1截止時，電路工作在恒壓模式下，電路采用串級雙環控制，電流環作為電壓環的內環，電壓環PI調節器的輸出Ue作為電流環PI調節器的給定。其電路方框圖如圖2所示。在設計參數時，先設計電流環的調節器，獲得穩定的內環，然后得到電流環的閉環傳遞函數Tic(s)，并將其作為電壓環的一個環節，如圖3所示，然后設計電壓環調節器。這種控制方式的最大的優點是，很好地解決了電路的限流問題，使電路具有最快的限流響應速度。但是，這種控制方式的實際限流給定是限流值Uiref加上D1的管壓降，因為D1的管壓降與通過它的電流有關，所以這種控制方式的穩流精度不如前面那種控制方式，但可以通過調節電阻R3，減小D1管壓降的變化量，以提高這種控制方式的穩流精度。

圖2 雙環控制模式下的電路方框圖

圖3 電壓外環等效方框圖

圖中符號表示：

H為輸出電壓采樣系數；

Ki為電感電流采樣系數；

FM為脈寬調制器的傳遞函數，FM=1/Upp，（Upp為三角波峰峰值）；

GV(s)為電壓環PI調節器的傳遞函數：

忽略輸出濾波電感電容等效電阻的影響后為

補償前，雙環控制方式下電壓環的開環波特圖見圖4。

圖4 雙環控制方式下電壓環的開環波特圖（補償前）

補償后，電壓環的開環傳遞函數為：

Tvob(s)=HGv(s)Tic(s)Z(s) （8）

補償后，雙環控制方式下電壓環的開環波特圖見圖5。如圖5所示，系統的相位裕量為45°，穩定裕量為50dB。

圖5 雙環控制方式下電壓環的開環波特圖（補償后）
4 控制電路實現

采用集成芯片UC3525外加運放構成平均電流模式控制電路，并用單片UC3535外加邏輯電路的方式形成有限雙極性控制的4路控制信號。如圖6所示。

（1） 外環控制

電壓給定信號與輸出電壓反饋信號經運放U1補償比較得Ue，接到UC3525的內部誤差放大器正相輸入端：2腳作為反饋電流的控制信號Uip。當輸出電流超過給定限流值時，D11導通，Uip被嵌在給定限流值上。

（2） 內環控制

采樣電阻檢測輸出電流并通過電流檢測放大器得電流反饋信號。接到UC3525的內部誤差放大器反相輸入端的1腳，與Uip進行比較。UC3525的9腳為反饋補償端。

（3） 有限雙極性控制

UC3525的4腳為同步信號輸出，該信號作為D觸發器U3的時鐘信號，U3的Q端(1腳)和 端(2腳)既可得到占空比為50％相位相差180°的兩組脈沖，Q11、Q12用于控制死區時間。

圖6 單片UC3525構成有限雙極性控制原理圖

5 結論

通過以上設計，對高頻開關電源控制的一些關鍵問題得到了基本解決辦法，高頻開關電源控制電路的實現，使發電廠及變電站大容量直流系統能夠更加可靠的運行。

參考文獻

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