CN109167519A - 一种反激式开关电源数字环路补偿器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反激式开关电源数字环路补偿器。随着电子技术的快速发展，开关电源的集成化越来越高。数字开关电源的补偿器设计是开关电源控制器设计中的一个关键技术，数字补偿器的实现方法和算法的优化，直接影响到开关电源的控制精度和纹波系数。本发明主要讲述一种数字控制的flyback电路闭环系统的S域小信号模型，该模型中的闭环回路分为几个主要的部分：功率变换级Gs(s)、采样Gad(s)、数字补偿器Gc(s)、和DPWM发生器Gdpwm(s)。本发明所述数字环路补偿器，可以克服现有技术中瞬态控制特性相对来说比较差等缺陷，采用积分分离PID算法，不仅提高了系统的响应时间，而且降低了系统的超调量。
Description
技术领域
本发明涉及开关电源控制技术领域，具体地，涉及一种数字式环路补偿器的控制装置及方法。
背景技术
线性电源具有体积大，效率低下，功率密度小的缺点，而开关电源的出现克服了线性电源的这些缺点，近年来得到了快速发展。就研制的技术难度而言，开关电源比线性电源的技术难度大，这也是开关电源的快速普及和推广受到限制。市面上开关电源控制电路是采用误差放大器、电源管理芯片、比较器等实现。控制器存在电路设计复杂、元器件数量多、控制性能易受环境影响、控制电路成型后很难修改等缺点，这给开关电源的集成化和模块化带来障碍。随着微电子的快速发展，高性能微控制器、DSP、FPGA等集成度越来越高，性能不断提高，价格日渐降低，为数字开关电源的研究提供了很好的前提条件。
基于电子设计自动化(EDA)技术、单片机技术和数字信号处理器(DSP)技术等数字技术开发的数字电源通过软件和硬件设计，实现PWM反馈回路的数字控制。DSP可通过内置PID算法生成数字PWM波形控制主功率变换器；配合A/D转换和CPLD等芯片检测系统电流、电压和温度参数，经内部处理调整PWM信号输出，实现调节电源输出和各种保护功能，还可以对同步整流电路进行精确的同步控制。
数字开关电源的补偿器设计也是开关电源控制器设计中的一个关键技术，数字补偿器的实现方法和算法的优化，直接影响到开关电源的控制精度和纹波系数。
因此，需要一种能够保证开关电源的控制精度和纹波系数的时候，不仅可以提高系统的响应时间，而且降低了系统的超调量的开关电源控制方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术上的缺陷，提供一种能够在保证开关电源的控制精度和纹波系数的时候，不仅可以提高系统的响应时间，而且降低了系统的超调量的开关电源控制方法。
一种反激式开关电源数字环路补偿器的设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一：建立Flyback电路数学模型，得出交流小信号系统传输函数Gvd(s)，然后经过S域转换得出系统的传递函数。由状态空间平均法可得反激式开关电源的小信号数学模型。反激式开关电源在一个开关周期内有两个工作状态。工作状态1：在每个周期的(0-dTs)时间段，开关管Q1导通，二极管D截止。工作状态2：在每个周期的(dTs-Ts)时间段，开关管Q1导通，二极管D截止。
小信号状态变量方程得到
由此可以得到系统传递函数
即，反激转换器连续时间小的信号传递函数。其中，RL为励磁电感内组，R为负载电阻。
步骤二：建立数字电源系统S域模型。数字电源的主电源电路类似于模拟电源。信号反馈和控制实现了数字脉冲DPWM的电压返回信号和调制输出的数字化。反激式开关电源的闭环分为几个部分：电源变压器Gp(s)，采样Gad(s)，延迟元件Gdl(s)和DPWM发生器Gdpwm(s)。电源的输出电压和输入电流信号由于幅度匹配的需要，必须经过信号调理电路处理后才能被AD转换器接收。ADC的采样延迟时间已经在延迟环节里考虑，而信号调理电路和AD转换器的电压增益分别为kv和kad则传递函数可以简化为：
Gad＝kvkad (3)
DPWM的分辨率必须高于AD转换器的分辨率，即DPWM的位数npwm必须大于AD转换器的位数。否则DPWM的最低有效位(LSB)调节的输出电压幅度大于AD转换器的LSB对应的电压分辨率，而导致设定的输出电压处于振荡状态，即所谓的“极限环”状态。因为传递函数可以简化为：
步骤三：数字补偿器的系统参数确定。基于系统要求的稳态和动态性能来设计数字补偿器。确定Gvd(s)、Gad、Gdpwm和Gp(s)。反激式开关电源开环系统函数如公式5：
Gp(s)＝GadGdpwmGvd(s) (5)
通过对系统的频域分析和补偿设计，在根轨迹法和伯德图法的基础上通过修改线性系统的零点、极点以及增益等补偿器的设计，以获得所需要的稳态和动态性能。从未添加补偿器的开环系统伯德图和根轨迹图，可以发现开环系统的相位裕度不符合设计要求，必须添加PID补偿器。
加入补偿器后的系统开环波特图和根轨迹，可以看出补偿器的加入改善了相位裕度，使得相位裕度PM＝45℃。反激式开关电源的闭环系统阶跃响应，可以看到系统得到了明显的改善。但是系统的超调量过大，达到了40％，因此该补偿器还要进一步进行完善和改进。
PID控制由反馈系统偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合而成，这3种基本控制规律各具特点。增量式PID的Z域表达式为：
为了消除静差在PID算法中引入积分项，但是在系统启动、停止等过程中会造成系统输出有很大的过动作，采用积分分离PID算法，能够很好的改善系统的超调问题。基本公式如下：
ε＝0.7时，通过阶跃响应分析结果，可知反激式电源系统超调问题得到了明显的改善，同时也提高了系统的响应时间。
本发明的有益效果：本发明提出的反激式开关电源环路数字补偿器设计在设计过程中会产生冲击误差，但可采用积分分离PID算法有效地降低误差，并且提高了系统的响应时间，降低了系统的超调量。这将进一步促进开关电源的设计方法的改进。
附图说明
图1Flyback变换器分析电路
图2反激式开关电源S域闭环结构图
图3系统开环伯德图和根轨迹图
图4带补偿器的系统开环伯德图和根轨迹图
图5带补偿器的闭环系统阶跃响应
图6数字PID增量算法控制图
图7数字PID增量控制算法流程图
图8积分分离PID闭环系统阶跃响应
具体实施方式
如图1、图2所示，在建立Flyback电路数学模型后，得出交流小信号系统传输函数Gvd(s)，然后经过S域转换得出系统的传递函数。根据二极管D和开关管Q1的不同状态，反激变换器工作过程在每个开关周期分为两级。我们选择电感电流和电容电压作为状态变量。
利用平均状态空间方法，我们可以得到反激式开关电源的小信号数学模型。由于开关器件状态，平均状态空间方法可以得到不同电路的状态方程。建立平均状态空间模型包括四个步骤：(1)静态工作点计算；(2)扰动叠加；(3)扰动分离和线性化；(4)拉普拉斯变换的频率特性方程。为了简化分析，我们做了一些假设。
(1)开关管和整流二极管导通电压降和反向截止电流等于零；
(2)转换器低通滤波器的转角频率远低于开关管工作频率；
(3)开关管工作频率远高于干扰信号的频率；
(4)与稳态的幅度相比，可以忽略干扰幅度。
小信号状态变量方程得到
由此可以得到系统传递函数
其中，RL为励磁电感内组，R为负载电阻。
数字电源的主电源电路类似于模拟电源。信号反馈和控制实现了数字脉冲DPWM的电压返回信号和调制输出的数字化。反激式开关电源的闭环分为几个部分：电源变压器Gp(s)，采样Gad(s)，延迟元件Gdl(s)和DPWM发生器Gdpwm(s)。电源的输出电压和输入电流信号由于幅度匹配的需要，必须经过信号调理电路处理后才能被AD转换器接收。ADC的采样延迟时间已经在延迟环节里考虑，而信号调理电路和AD转换器的电压增益分别为kv和kad则传递函数可以简化为：
Gad＝kvkad (3)
DPWM的分辨率必须高于AD转换器的分辨率，即DPWM的位数npwm必须大于AD转换器的位数。否则DPWM的最低有效位(LSB)调节的输出电压幅度大于AD转换器的LSB对应的电压分辨率，而导致设定的输出电压处于振荡状态，即所谓的“极限环”状态。因为传递函数可以简化为：
基于系统要求的稳态和动态性能来设计数字补偿器。采用的系统参数如下：输入电压Ug＝230～420V，输出电压Uout＝5V，输出电流Iout＝6A，PWM频率fpwm＝300kHz，L＝8μH，RL＝10-5Ω，C＝200uF，n＝1/40，R＝5/6Ω，U＝5v，D＝0.4。将上述参数带入式(2)得：
ADC采用输出位为8位，输出调理电路增益为1，则
为了消除极限环作用，DPWM的分辨率一定要大于ADC的分辨率，故DPWM采用10位分辨率，
则反激式开关电源开环系统函数如公式8所示：
在根轨迹法和伯德图法的基础上通过修改线性系统的零点、极点以及增益等补偿器的设计，以获得所需要的稳态和动态性能。从未添加补偿器的开环系统伯德图和根轨迹图，由图3可以发现开环系统的相位裕度不符合设计要求，为了补偿零点和调整系统的相位裕度，必须添加PID补偿器。从而确定的补偿器的传递函数为
加入补偿器后的系统开环波特图和根轨迹如图4所示，可以看出补偿器的加入改善了相位裕度，使得相位裕度PM＝45℃。反激式开关电源的闭环系统阶跃响应如图5，可以看到系统得到了明显的改善。但是系统的超调量过大，达到了40％，因此该补偿器还要进一步进行完善和改进。
PID控制由反馈系统偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)的线性组合而成，这3种基本控制规律各具特点。增量算法可以得到控制变量的增量，控制图如图6所示。数字PID增量控制算法流程如图7所示。增量式PID的Z域表达式为：
为了消除静差在PID算法中引入积分项，但是在系统启动、停止等过程中会造成系统输出有很大的过动作，采用积分分离PID算法，能够很好的改善系统的超调问题。基本公式如下：
其中KP为比例系数，T为采样周期，其值为1×10-6s,Ki＝KPT/TI为积分系数,Kd＝KPTD/T为微分系数。为了能带入确定各参数值，将补偿器(9)式进行Z域变换得：
与(10)对比，解得KP＝5.146，TI＝0.55×10-6，TD＝0.11×10-6。进一步可求得Ki＝KPT/TI＝9.3，Kd＝KPTD/T＝0.56。
这里采用ε＝0.7时，可得到阶跃响应结果如图8，可以看出反激式电源系统超调问题得到了明显的改善，同时也提高了系统的响应时间。
本发明提出的反激式开关电源环路数字补偿器设计在设计过程中会产生冲击误差，但可采用积分分离PID算法有效地降低误差，并且提高了系统的响应时间，降低了系统的超调量。随着数字开关电源的应用越来越广泛，对开关电源的指标要求也会越来越高，这将进一步促进开关电源的设计方法的改进。
Claims (2)
1.一种反激式开关电源数字环路补偿器，其特征在于，包括：
1)根据建立的flyback数学模型，数字电源S域模型设计环路补偿器并依据系统参数确定对应的补偿器的具体参数。
2)通过对伯德图和根轨迹图的比较，确定补偿器的传递函数。
3)通过增量式积分分离PID控制器的设计得到最终优化的补偿器。
2.一种反激式开关电源数字环路补偿器的设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一：建立Flyback电路数学模型，得出交流小信号系统传输函数Gvd(s)，然后经过S域转换得出系统的传递函数。由状态空间平均法可得反激式开关电源的小信号数学模型。
小信号状态变量方程得到
由此可以得到系统传递函数
其中，
步骤二：建立数字电源系统S域模型。反激式开关电源的闭环分为几个部分：电源变压器Gp(s)，采样Gad(s)，延迟元件Gdl(s)和DPWM发生器Gdpwm(s)。ADC的采样延迟时间已经在延迟环节里考虑，而信号调理电路和AD转换器的电压增益分别为kv和kad则传递函数可以简化为：
Gad＝kvkad (3)
步骤三：数字补偿器的系统参数确定。基于系统要求的稳态和动态性能来设计数字补偿器。确定Gvd(s)、Gad、Gdpwm和Gp(s)。反激式开关电源开环系统函数如公式5：
Gp(s)＝GadGdpwmGvd(s) (5)
在根轨迹法和伯德图法的基础上通过修改线性系统的零点、极点以及增益等进行模拟补偿器的设计，以获得所需要的稳态和动态性能。为了补偿零点和调整系统的相位裕度，必须添加PID补偿器。
从加入补偿器后的系统开环波特图和根轨迹可以看出补偿器的加入改善了相位裕度，系统得到了明显的改善，但是系统的超调量过大。
PID增量算法可以得到控制变量的增量，增量式PID的Z域表达式为：
为了消除静差在PID算法中引入积分项，但是在系统启动、停止等过程中会造成系统输出有很大的过动作，采用积分分离PID算法，能够很好的改善系统的超调问题。
基本公式如下：
其中KP为比例系数，T为采样周期，其值为1×10-6s,Ki＝KPT/TI为积分系数,Kd＝KPTD/T为微分系数。这里采用ε＝0.7时，与(7)对比，解得Kp，TI，TD，进一步求得Ki，Kd。即可得到系统的传递函数。此设计提高了系统的响应时间，降低了系统的超调量。这将进一步促进开关电源的设计方法的改进。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190108 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |