阐述变换器一种新型BUCK变换器制约电路体系建模与分析如何

论文导读：器是DC-DC变换器的重要分支，广泛应用于各类便携电子产品、汽车、通信设备等。传统的BUCK型变换器有两种控制模式：电压控制模式和电流控制模式。峰值电流模式是一种典型的电流控制模式，它具有闭环响应快、控制环路设计简单、自动瞬间峰值电流限流、自动均流并联等优点，虽然也有易产生次谐波振荡、对噪声敏感、多路输出的交互调
摘 要：基于传统峰值电流模式的控制结构，提出了一种新型的峰值电流模式同步整流BUCK变换器的控制结构。在输出回路串入检测电阻形成电压采样电路，并将采样电压直接输入到PWM电流比较器，使得电路结构更加简单，反应速度更快。文中利用经典控制理论方法对控制电路进行了系统建模与分析，并通过Matlab仿真验证了本方案的可行性。
关键字：BUCK，峰值电流模式，PWM，建模
2095-1302（2013）08-0064-03
0 引 言
BUCK变换器是DC-DC变换器的重要分支，广泛应用于各类便携电子产品、汽车、通信设备等。传统的BUCK型变换器有两种控制模式：电压控制模式和电流控制模式[1，2]。峰值电流模式是一种典型的电流控制模式，它具有闭环响应快、控制环路设计简单、自动瞬间峰值电流限流、自动均流并联等优点，虽然也有易产生次谐波振荡、对噪声敏感、多路输出的交互调节性能不佳的缺点，但仍然得到了广泛的应用[3]。
本文基于传统的峰值电流模式的控制结构，提出了一种新型的峰值电流模式同步整流控制结构，使得电路结构更加简单，反应速度更快等。
1 峰值电流模式控制电路结构

1.1 传统的峰值电流模式同步整流控制结构

传统的峰值电流模式同步整流BUCK型DC-DC变换器控制结构[4]如图1所示。电路主要由功率管M1和同步管M2、电感、输出电容、反馈电阻、误差放大器、斜坡补偿电路、PWM比较器及控制逻辑组成。
该结构有两个反馈环路：电流内环路和电压外环。电压外环检测输出电压，输出电压经过分压电阻后与基准电压输入到误差放大器，经误差放大器处理的电压、斜坡控制产生的电压及采样电压作为PWM比较器的输入，经过PWM比较器后输入控制逻辑，从而产生占空比为D的控制信号，控制主功率管与同步管的开通与关断，形成电压环路。Rsense电阻检测开关管电流，形成采样电压，输入到PWM的反相输入端，形成电流内环。电流内环在每个周期内瞬时快速地进行逐个脉冲比较，实时监测电感电流的动态变化。这样，功率开关管的调节不仅受到输出电压的影响，还受到功率管的峰值电流大小的影响。因此，电流型控制模式相对于电压型，对输入输出变化的响应速度更快，工作带宽更宽。

1.2 新型的峰值电流模式同步整流控制结构

本文提出的新型的峰值电流模式同步整流控制结构图如图2所示。相对于传统的控制结构，本设计的PWM电流比较器的反相输入端是误差放大器输出与输出电压经过斜坡补偿后的信号，同相输入端为输出环路上采样到的电感电流形成的电压。改进后的结构，相对于传统结构，电路规模更小，更易于集成，反应速度更快等。
2 系统建模与分析
本设计中基准电压输入到误差放大器的同相输入端，反馈电压输入到误差放大器的反相输入端，经过误差放大器后的信号及输出信号经过补偿网络产生控制电压，该控制电压产生电感电流的基准，电流比较器与PWM电压比较器共用合并为一个PWM电流比较器。基准输入到电流比较器的同相输入端，采样信号输入到电流比较器的反相输入端。经过PWM电流比较器的信号与RS触发器形成占空比为D的信号，经过驱动逻辑后摘自：毕业论文模板www.7ctime.com
，控制主功率管与同步管的开通与关断。
电感电流通过采样电阻反馈电压到电流比较器的反相输入端，从而形成电流负反馈回路。同时，电感电流经过输出滤波器与负载形成稳定的输出电压，输出电压经过分压电压反馈回到误差放大器的反相输入端，从而形成电压负反馈回路。
输入电压的变化和输出负载的变化都会影响输出电压，根据上述对系统的分析过程，对系统建立模型，图3所示是新型控制结构建模方法图。由分析可知，该系统有两个负反馈回路：快速响应的电流内环与电压外环。根据控制系统的稳定性理论，要使系统稳定，两个环路都必须稳定，首先应该使电流内环稳定，再使电压外环稳定。
其中，Vref为参考电压，本设计中为0.8 V，iL为电感电流，iload为负载电流，Zout（s）为负载网络。
其中系统的高频次极点出现在工作频率的大约1/2处，即50 kHz，系统的单位增益频率为25.1 kHz，但是相位裕度仅仅只有0.69°，系统会出现严重的不稳定。通过在误差放大器输出端加入补偿网络，利用Matlab仿真补偿后的系统，其频率响论文导读：
应结果如图6所示。可以看到，此时系统的单位增益频率为2

5.4 kHz，相位裕度却增大到5

7.6°，系统能非常稳定地工作。

4 结 语 本文基于传统的峰值电流模式的控制结构，提出了一种新型的峰值电流模式同步整流BUCK控制结构，使得电路结构更加简单，反应速度更快等。利用经典控制理论方法，对系统进行建模分析，得到系统的传递函数，最后运用Matlab进行仿真，验证了系统方案的可行性。
参 考 文 献
Abraham I. Presan， Keith Billings， Taylor Morey. 开关电源设计[M]. 3版.北京： 电子工业出版社，2010.
张占松，蔡宣

三、开关电源的原理与设计[M].修订版.北京： 电子工业出版社， 2005.

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[5] 吴国明. 高效率降压型DC-DC控制器的设计[D]. 杭州：浙江大学，2007.
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