数字控制开关电源的快速动态响应研究

摘要

便携式设备中开关电源的动态响应速度是制约整机速度的一个重要因素。数字控制技术以其灵活可重构等特点在开关电源中逐渐推广应用，但是数字开关电源中固有的量化效应、时延效应等因素却对动态响应速度产生了一定限制，使其在工作频率较高的应用领域中受到制约。为提高数字电源的动态响应速度，现有的最优时间控制方法中，动态和稳态过程需要分别采用不同的控制方式，这种双控模式导致切换界面难以平滑过渡，会引发系统振荡，并且在更加复杂的连续多个动态变化时表现得尤为明显。
　　本文针对上述问题，提出了一种轨迹预测控制算法，可实现动态响应过程中近似最优时间的控制目标，并能在连续多动态调制过程中获得平滑过渡。在所提出算法的实现过程中，对实际系统的控制精度是关注的首要问题。本论文针对数字控制开关电源的特点，在算法实现中加入延时、寄生参数等因素的修正，提高了算法的控制精度。此外，在实际应用中，系统的可靠性及占版面积则是另一个重要的关注点。本文则进一步对算法的预测间隔进行了修正，降低了算法的资源占用率，提高了其可实现性。在最终的系统测试验证中，融入尖峰电流抑制算法，提高实现过程中的可靠性。相关仿真和实测结果验证了所提控制算法在数字控制开关电源应用中的有效性。
　　本文的主要创新点为:
　　1)提出了一种轨迹预测控制算法，实现了近似最优时间的动态响应控制，并可对连续多个动态过程进行调制。此算法在动态过程和稳定状态中都可有效工作，避免了现有最优时间控制算法中动稳态采用不同控制算法带来切换界面过渡不平滑的问题。
　　2)建立了包含数字控制开关电源量化效应、时延效应、寄生效应的行为级模型，并据此对所提算法的控制方式进行了修正，提高了算法对实际系统的控制精度，增强了其在应用中的可实现性。
　　3)提出了一种抑制电流尖峰的控制算法，解决了数字控制PFC开关电源实现验证中启动电流尖峰过大的问题。通过限制启动过程中控制量上限，强制系统工作在断续导通模式下，令充电阶段电感增加的电流在放电阶段全部消耗，避免由于过多能量累积导致的电感电流尖峰，并且此方法可与所提轨迹预测控制算法相融合，无需单独电路。
　　本论文采用所提出的轨迹预测控制算法，实现了对数字控制开关电源的独立控制以及对连续扰动过程调整的目标。同时在数字控制的低功率DC-DC开关电源和中功率PFC开关电源两个实际验证平台中，达到了在多种扰动情况下的快速动态调整。测试结果表明:开关频率1MHz的DC-DC开关电源，负载响应时间小于10μs(电流500mA阶跃变化);线性响应时间约为4μs(输入电压1V阶跃)。开关频率100kHz的PFC开关电源中，负载响应最快21ms(输出功率100W阶跃)，线性动态响应时间约为20ms(输入电压30Vac阶跃)。

目录

声明

摘要

缩略语表

第一章 绪论

1．1 数字控制开关电源的发展概述

1．2 开关电源动态性能的研究背景

1．3 本课题的组织结构与主要研究工作

第二章 开关电源中快速动态响应技术综述

2．1 数字控制开关电源的工作原理

2．2 开关电源动态响应提高技术概述

2．3 本课题的研究目标

2．4 本章小结

第三章 快速动态响应的轨迹预测算法

3．1 算法的提出与基本原理

3．2 算法的最优动态响应轨迹

3．3 算法的整体控制过程

3．4 算法控制效果的仿真验证

3．5 本章小结

第四章 轨迹预测算法在数字开关电源中的实现

4．1 算法实现过程中影响控制精度的因素分析

4．2 基于控制精度提高的算法修正

4．3 DC-DC开关电源中轨迹预测算法的实现

4．4 PFC开关电源中轨迹预测算法的实现

4．5 本章小结

第五章 轨迹预测算法的系统实测验证

5．1 快速动态响应数字DC-DC开关电源系统的实现与验证

5．2 快速动态响应数字PFC开关电源的实现与验证

5．3 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

在读期间取得的成果