Buck电路闭环控制策略研究.docx

南原航空航天大学电气工程综合设计（论文）报告纸编号 南京航空航天大学电气工程综合设计报告题目 Buck电路闭环控制策略研究学生姓名班级学号成绩张潼0311205031120505杨岚0311205031120508何晓微0311201031120110龚斌0311206031120631李博0311205031020519学 院 自动化学院专 业电气工程及其自动化指导教师毛玲二0一五年一月Buck电路闭环控制策略研究摘要首先，本文对Buck电路的3种闭环控制策略进行了原理分析，比较，并对 Buck±功率级 电路进行了原理分析和建模，最后完成主电路的参数设计其次，本文详细阐述了 V2控制工作原理，推导V2控制环的传递函数，并且建立小信号模 型，对控制器进行优化设计最后使用 SABER2007XtBUCK电路的V2控制电路进行了时域频 域仿真关键词：Buck电路，V2控制i南原航空航天大学电气工程综合设计（论文）报告纸摘 要 i....Abstract 错误！ 未定义书签第一章概述 -1 -第二章 Buck变换器控制方法简介…2.1 电压型控制 2.2 电流型控制 2.3 V2控制 第三章 Buck变换器原理分析及建模3.1 Buck变换器传递函数 3.2 Buck电路的边界条件 3.3 主功率电路的参数设计 第四章 V2控制电路分析及设计••…4.1 V2控制原理分析4.2 V2控制的buck变换器小信号模型4.3 V2控制器优化设计第五章电路仿真 5.1 V2控制策略频域仿真5.2 时域仿真电路和仿真波形南原航空航天大学电气工程综合设计（论文）报告纸第一章概述1.1 课题背景随着CPU运算速度和工作频率的成倍提高，低电压，大电流，小电压容差使微处理器对 其供电电源及电源管理系统的要求越来越高。

在开关电源的控制技术中，传统的电压型控制 仅仅通过检测输出电压进行单环反馈控制，虽然电路简单，但是对输入电压和负载变化的响 应速度慢；电流型控制方法在输出电压检测的基础上又引入电感电流或者开关电流检测，进 行双环反馈控制，提高了变换器的响应速度但是随着微处理器对供电电源及电源管理系统 性能要求的不断提高，现有的控制方法已经很难满足负载特性日益苛刻的要求，采用输出电 压双环反馈技术的V2控制方法应运而生1.2 课题主要研究内容本文主Buck电路的闭环控制为研究对象，研究 Buck变换器的工作原理、控制方式及参数设计方法，着重研究Buck变换器的V2控制其主要内容主要分为以下五章：第一章介绍课题研究背景，以及课题研究的主要内容第二章对三种常见的Buck变换器控制方法进行综述将三种方法的优缺点进行比较第三章研究Buck变换器，分析其两者工作模态，推导了 Buck变换器功率级模型及稳态传递函数对主功率电路进行参数设计第四章 从V2控制方案入手，设计控制电路第五章 用Saber软件对电路进行仿真第六章总结了本文所做的工作 -南原航空航天大学电气工程综合设计(论文)报告纸第二章 Buck变换器控制方法简介开关电源由功率级和控制电路两部分组成。

控制电路的功能是在输入电压、内部参数、 外接负载变化时，调节功率级开关器件的导通时间，使开关电源的输出电压或者电流保持包 定因此，在开关电源的设计中，控制方法的选择和设计对于开关电源的性能来说是十分重 要的采用不同的检测信号和不同的控制电路会有不同的控制效果2.1 电压型控制图1所示为电压型控制Buck变换器，图2为其对应的主要波形从图1可以看出，电压 型控制方法是利用输出电压采样作为控制环的输人信号， 将该信号与基准电压Vref进行比较， 并将比较的结果放大生成误差电压 Ve误差电压Ve与振荡器生成的锯齿波 Vsaw进行比较生 成一脉宽与Ve大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路 （图中未画出驱动电路）驱动 开关管导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节L图1电压控制型 图2电压控制型波形图2.2 电流型控制电流型控制同时引入电容电压和电感电流 2个状态变量作为控制变量，提高开关电源 PWM控制策略的性能由图3和图4可以看出，电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：电流型控制方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为 PWM比较器的一个输入信号电流型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关管导通，开关电流由初始值线性增大，检测电阻 Rs上的电压Vs也线性增大，当Vs增大到误差电压也时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管关断。

直到下一个时钟脉冲到来 开始一个新的周期图3电流控制型 图4电流控制型主要波形图2.3 V2控制由于V2型控制方法具有优秀的动态性能，适用于电压调整模块等对动态特性要求比较高的场合由图3和图5可以看出，V2控制方法与电流型控制方法的区别在于： V2控制方法用滤波电容电压采样代替了电流型控制方法中 PWM比较器的电流采样输入输出电压 K反馈回来作为2个控制环的反馈量V2控制方法稳态时的工作原理为：在每个周期开始时， 时钟信号使锁存器复位、开关管导通，开关电流 iL由初始值线性增大由于负载电流固定不 变，所以该变化的电流完全通过滤波电容的 ESR给滤波电容充电，从而在 ESR上产生与电感电流斜率相同的压降 Vq(Vq=iL Rs)该电压即为内环的采样电压当 Vq增大到误差电压Ve时，比较器翻转，锁存器输出低电平，开关管关断，直到下一个时钟脉冲信号到来，开始 一个新的周期V2控制方法的稳态波形如图6所示传统的电流型控制事实上是控制电感电 流当使用Buck变换器时，若电感在输出部分，则电流型控制是非常有效的但是对于反激 变换器和boost变换器拓扑，电感不在输出部分，电流型控制的许多优点体现不出来。

V控制方法由于内环检测点在输出部分，提高了 Buck变换器和正激变换器对输入和输出静态和动 态变化的响应速度，解决了电流型控制方法存在的问题V2控制方法由于内环采用反馈输出 电压的纹波，因而与电流型控制方法一样，抗干扰能力差当占空比大于 50%时，会产生次谐波振荡，所以也要使用斜坡补偿V2控制方法可与普通的控制方法如定频、定开通时间和 滞环控制配合使用以提高系统的响应速度在使用定关断时间的 V 2控制方法时可免于使用斜坡补偿V2控制方法对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需 要额外的电路来进行过流保护时钟图5 V2控制型时钟图6 V2控制型主要波形图第三章 Buck变换器原理分析及建模电源在各种电子系统中占有极其重要的位置随着电力系统的日趋复杂，规模的逐渐庞大，各种系统对电源的性能要求越来越高，需要采用更快速更稳定的电源控制方法数字化开关电 源具有易于模块化管理、体积小、稳定性高、抗干扰能力强、控制灵活的特点 Buck变换器的输出阻抗最低，对输入电压和负载的变化具有最快的响应速度，且输出电压纹波最小3.1 Buck变换器传递函数开关电源的主回路是一个分段线性系统， 各段之间是不连续的，控制回路是一个线 性系统.对于这样一个由分段线性和线性两部分构成的系统 ，要建立一个既便于分析又精 模的模型是相当困难的. 但是在所关心的信号频率比开关频率低的多时， 可以利用状态空 间平均法将开关系统近似为连续系统，在交流变量幅度与直流工作点相比足够小的时候 ： 可以使用线性化的方法使非线性系统近似为线性系统 。

3.2 Buck电路的边界条件开关转换线路是否工作在 CCM或者DCM,主要取决于流过电感电流是否连续，当电感电 流连续时，则开关转换器工作于 CCM(current continuous mode);当电感电流不连续时，则开关 转换器工作于 DCM(current discontinuous mode)当开关转换线路工作于 CCM/DCM边界，对于buck线路而言，即流过电感的电流纹波与 输出电流相等即：.(1)V(1 -D)Ts _ V2L由式(1)可得边界条件为：K =1 一 D2LfsR即：, 2Lf. . 、一 ... ...当1-D <2L$时，buck变换器工作在CCM模式;R-# -南原航空航天大学电气工程综合设计（论文）报告纸, 2Lf一 . ..一 ... .当1-D > 二时，buck变换器工作在DCM模式； R- 2Lf.当1-D =—s时，buck变换器工作在 CCM/DCM 边界；Rbuck变换器的DCM时的稳态关系当buck变换器工作在DCM时，则一个完整的周期分为三个部分(interval)即：当0

当 0 cte DTs 时:VL (…誓"V⑴ .⑺iC(t) =CdV(t)dtV(t)R..(8)-# -当 DTs