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2004年12月25日第21卷第6期
通信电源技术TelecomPowerTechnologies
Dec.25,2004 Vol.21 No.6
文章编号:1009-36(2004)06-0004-02变换与控制
电压反馈型BUCK变换器环路补偿设计
章赛军1,杨永宏2,柯建兴3,李达义1
(1.华中科技大学电气与电子工程学院,武汉430074;2.湖北省沙市热电厂,沙市434000;
3.艾默生网络能源有限公司,深圳518057)
摘要:文章在介绍电压反馈型BUCK变换器的主拓扑和反馈控制模式的基础上,进一步探讨了反馈控制的传递函数和环路参数的设计,说明了双极点-双零点补偿网络的设计原理与具体过程。关键词:BUCK变换器;传递函数;环路补偿中图分类号:TN86TP712文献标识码:A
DesignofCompensationNetworkforVoltageModeBuckRegulators
ZHANGSa-ijun1,YANGYong-hong2,KEJian-xin3,LIDa-yi1
(1.DepartmentofElectrical&ElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;2.HubeiShashiThermoelectricPowerPlant,Shashi434000,
China;3.EmersonNetworkPowerCo.Ltd,Shenzhen508057,China)Abstract:ThecontrolmodeandmaintopologyofsinglephasevoltagemodeBUCKregulatorareintroducedatfirst,thenthedesignoftransferfunctionandloopparametersarediscussed,designingprincipleoftwo-poleandtwo-zerocompensationNetworkandconcretedesignprocessarealsoshown.Keywords:BUCKregulators;transferfunction;compensationnetwork
0 概 述
电压型PWM控制有以下优点:(1)PWM三角波幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量;(2)对于多路输出电源,它们之间的交互调节效应较好;(3)单一反馈电压闭环设计、调试比较容易;(4)对输出负载的变化有较好的响应调节[1]。所以其在开关电源的设计中被广泛应用。在电压型PWM控制模式开关电源的系统设计中,环路设计是一项很重要的部分,它关系到电路的稳定性、响应速度动态、过冲等指标。本文在介绍电压反馈型BUCK变换器的主拓扑和反馈控制模式的基础上,探讨了反馈控制的传递函数和环路参数的设计。
收稿日期:2004-08-05
作者简介:章赛军(1977-),男,硕士研究生,主要研究方向为DC/DC直流模块电源;
李达义(1972-),男,博士研究生,主要研究方向为电力系统谐波抑制;
柯建兴(1978-),男,工程师,主要研究方向为大功率UPS电源。
1 BUCK电路的反馈控制模式
电压反馈型BUCK变换器闭环控制系统由PWM控制器、输出滤波器和反馈补偿网络三部分组成[2]。
开环系统如图1所示,由PWM控制器和输出滤波器组成。
图1 BUCK电路开环系统图
其传递函数为:
UinESRCouts+1
K1=2
vUoscL1Couts+(ESR+R1)Couts+1
(1)
第6期 #变换与控制# 章赛军等: 电压反馈型BUCK变换器环路补偿设计 5
式(1)中分子为一阶微分环节,有一个零点,其转折频率为
1fzero=(2)2PESRCout式(1)中分母为二阶积分环节。在DC/DC变换器
中,为了获得较高的效率,会尽可能的减小电阻的值,导致系统通常都是工作在欠阻尼状态。为了获得较高的稳态精度,系统总是要设计成为1型系统。因为1型系统的稳态误差为零,可以获得比较高的负载调整率和电压调整率。这样就要在环路中引入一个积分环节,使系统的直流增益变为无穷大。然而,由于积分环节的相位为-90b,导致同时减小了相位裕度,使带宽变窄,或者系统变得不稳定,所以要设计反馈网络改善系统。传统上采用PI调节器,使系统保持高的稳态精度的同时还能有一个比较好的动态响应[3]。典型的PI调节器的电路如图2所示。
以-20dB/dec的斜率下降。补偿器在高频处有一个极点来抵消电容ESR引起的零点作用。此外,在更高频率处还有一个极点,以保证闭环增益和相位穿越频率处有良好的相位和增益裕度。它采用两个零点使相位增加180b,减小在双极点时输出滤波器谐振的影响,传递函数是:
11(s+)1s+2
R1+R3R2C2(R+R3)C3
K2=(4)
R1R3C1C1+C21s(s+)(s+)
R2C1C2R3C3 所以整个闭环系统的传递函数是:K=K1K2
闭环系统及各部分BODE图如图4所示。
(5)
图2 PI调节器
图4 闭环系统BODE图
其传递函数如下:
UoR2C1s+1=UinR1C1s
(3)
由系统开环传递函数可以看出,当ESR比较小
时,相位会滞后180b。而单纯的PI调节器没有相位补偿的功能,并且还会造成一定程度的相位滞后,所以需要增加相位超前补偿电路。
2 电压反馈型BUCK变换器环路补偿设计
对于BUCK变换器,理想的系统应该是截止频率附近斜率为-20dB/dec,同时相位裕度大于45b,
[3]
带宽在开关频率的20%~30%之间。本文所述的补偿电路如图3所示。
根据上述理论,BUCK变换器的环路设计具体步骤如下:
(1)选择合适的R1,通常在2k8到5k8的范围内。
(2)选择合适的R2/R1使开环增益有理想的带宽。计算R2的公式为
DBWvUosc
R2=R(6)
FLCUin1 (3)计算C2,目的是增加一个零点,其引起的频率为输出滤波器复合极点频率的一半。
1fzl=(7)
PR2fc2 (4)计算C1,目的是增加一个极点,其转折频率
为FESR。
1fpl=(8)
2PR2(C1C2)/(C1+C2) (5)设置第二个极点和第二个零点,其转折频率
分别为开关频率的一半和输出滤波器的复合频率。据此得到下式:
1fz2=2P(R+R)C(9)
133 在一台输入电压为5V,输出电压为3.3V,开
(下转第14页)
图3 环路补偿器
该补偿器的一对零点用来抵消滤波器双重极点的增益,特别是该双重极点引起的相位滞后。通过这一对零点补偿后,闭环增益在高于滤波极点处就14
通信电源技术
第21卷
路相比有更低的成本。对于兆瓦功率系统,增加的控制复杂性可以忽略。提出的三电平ARCPI能够有效地用于大功率GTO逆变器场合(1~10MVA)。参考文献:
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[3] 潘 星,刘金会.三电平逆变器零电流关断技术的研究
[J].变频器世界,2004(1):35-39.[4] 陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北
京:机械工业出版社,2001.
(上接第5页)
关频率为300kHz的BUCK电源中,依上面方法计算可得R1=4.12k8,R2=20.8k8,R3=151.858,C1=0.2587nF,C2=2.861nF,C3=6.987nF。选用标准电阻值可得R1=4.12k8,R2=20.5k8,R3=150k8,C1=0.22nF,C2=2.7nF,C3=6.8nF,其相位余量为45b,截止频率为100kHz。
双极点-双零点补偿能显著地改善电路性能,增加
电路稳定性,获得很好的暂态特性。参考文献:
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[3] 孙炳达,梁志坤.自动控制原理[M].北京:机械工业出
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3 结 论
对于目前广泛使用的电压型BUCK电路,采用
(上接第9页)
方法已证明非常适用于拥有复杂磁路电路特性的磁集成变换器的仿真。参考文献:
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