快速瞬态响应电压调节器控制方法的研究

摘要

微处理器的运算速度不断提高，因此对为其供电的电压调节器(VR)的指标要求也越来越高。为了满足微处理器进一步发展的需要，在负载变化时，VR需要具有更快的响应速度。VR响应速度的提高可以从改善功率级拓扑结构和提高控制电路控制性能两个角度来考虑，本文即是从提高控制电路控制性能的角度出发研究具有快速负载动态响应的V2控制方法和V2C控制方法。 为了加深对控制对象—功率级的了解，论文首先深入研究了考虑滤波电容串联寄生电阻(ESR)的VR功率级电路器件参数对VR的负载瞬态响应特性的影响，对VR的负载突变时的响应波形进行了详细分析，并推导出其定量的表达式。最后通过时域仿真对理论分析结果进行了验证。在对控制对象分析的基础上，论文对VR的控制方法进行了深入的研究。论文首先研究了V2控制方法，利用状态空间平均法建立了连续导电模式(CCM)下V2控制Buck变换器的小信号模型，并首次建立了V2控制Buck变换器的y参数模型，通过理论分析及仿真证明了在CCM模式下V2控制方法对于负载突变具有比电流型控制方法更快的响应速度。在轻载时VR将可能工作于不连续导电模式(DCM)，论文利用平均开关模型的建模方法建立了DCM模式V2控制Buck变换器的输入级小信号模型和输出级小信号模型，进而得到了其输出阻抗、“输入—输出”传递函数和“控制—输出”传递函数。通过理论分析并与电流型和电压型控制方法的小信号模型进行了比较，得出了在DCM模式下V2控制方法对于负载突变仍然具有比电流型控制方法更快的响应速度的结论，并通过频域仿真和时域仿真进行了验证。 由于V2控制方法不能对负载电流进行控制，论文在V2控制方法的基础上引入电感电流的内环反馈，提出了V2C控制方法，利用状态空间平均法建立了CCM模式V2C控制Buck变换器的小信号模型，并得到了其输出阻抗、“输入—输出”传递函数和“控制—输出”传递函数，理论分析表明在CCM模式下V2C控制方法对于负载突变具有比V2控制方法更快的响应速度。并通过仿真对该结论进行了验证。采用DCM模式V2控制Buck变换器同样的建模方法建立了DCM模式V2C控制Buck变换器的输入级小信号模型和输出级小信号模型，进而得到了其输出阻抗、“输入—输出”传递函数和“控制—输出”传递函数。理论分析表明在DCM模式下对于负载突变V2控制方法的响应速度优于V2C控制方法。并通过仿真对该结论进行了验证。 在以Buck变换器为控制对象的研究基础上，论文亦对以Boost变换器为控制对象的瞬态特性进行了研究。详细分析了考虑输出电容ESR的B∞st变换器的输出电压纹波波形，进而得出了V2控制方法不适用于控制Boost变换器而V2C控制方法适用于Boost变换器的结论。利用状态空间平均法建立了CCM模式V2C控制Boost变换器的小信号模型，并求出了其输出阻抗、“输入—输出”传递函数和“控制—输出”传递函数，通过理论分析和仿真验证了在CCM模式下对于负载突变，V2C控制Boost变换器具有比电流型控制方法更快的响应速度。在对CCM模式V2C控制Boost变换器研究的基础上，建立了DCM模式V2C控制Boost变换器的输入级小信号模型和输出级小信号模型，进而得到了其输出阻抗、“输入—输出”传递函数和“控制—输出”传递函数。理论分析表明在DCM模式下对于负载突变V2C控制Boost变换器具有比电流型控制方法更快的响应速度。并通过仿真对该结论进行了验证。 通过对V2控制Buck变换器和V2C控制Buck变换器的小信号模型分析，在分析传统的电压型和电流型控制方法的小信号模型的基础上建立了适用于四种控制方法的通用模型，并对其各自的模型参数以及传递函数进行分析了比较。 最后为了验证理论分析和仿真的真实性，制作了一台12V输入、5V输出、100W的实验样机，该样机可以分别实现电流型控制、V2控制和V2C控制三种控制方法。实验结果对本文的理论分析进行了很好的验证。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1引言

1.2 DC/DC开关电源控制方法的研究现状

1.2.1 DC/DC开关电源控制方法的分类

1.2.2开关电源控制方法介绍

1.3电压调节器负载动态响应特性的研究现状

1.3.1影响VR负载动态特性的主要因素

1.3.2目前提高VR负载动态特性的主要方法

1.4 DC/DC开关电源建模方法的研究现状

1.5论文的主要工作

第2章电压调节器的负载瞬态响应特性

2.1引言

2.2电压调节器输出电压的瞬态分析

2.2.1输出电压瞬态响应波形分析

2.2.2输出电压波动分析

2.2.3调整时间分析

2.3电压调节器负载瞬态特性的仿真研究

2.3.1负载加重与负载减轻的仿真

2.3.2电压型控制仿真

2.3.3电流型控制仿真

2.4小结

第3章V2控制Buck变换器分析

3.1引言

3.2 V2控制方法的工作原理

3.3 CCM模式V2控制Buck变换器的小信号模型

3.3.1 CCM模式V2控制环节的小信号模型

3.3.2 CCM模式V2控制Buck变换器的小信号模型

3.3.3 CCM模式V2控制Buck变换器的y参数模型

3.3.4 CCM模式V2控制与电流型控制的y参数比较

3.4 CCM模式V2控制Buck变换器的仿真

3.4.1 CCM模式V2控制Buck变换器的频域仿真

3.4.2 CCM模式V2控制Buck变换器的时域仿真

3.5 DCM模式V2控制Buck变换器的小信号模型

3.5.1 DCM模式Buck变换器的平均开关模型

3.5.2 DCM模式V2控制Buck变换器的输入级模型

3.5.3 DCM模式V2控制Buck变换器的输出级模型

3.5.4 DCM模式V2控制Buck变换器的小信号等效电路

3.6 DCM模式V2控制Buck变换器的仿真

3.6.1 DCM模式V2控制Buck变换器的频域仿真

3.6.2 DCM模式V2控制Buck变换器的时域仿真

3.7小结

第4章V2C控制Buck变换器分析

4.1引言

4.2 V2C控制方法的工作原理

4.3 V2C控制Buck变换器的小信号模型

4.3.1V2C控制环节的小信号模型

4.3.2V2C控制Buck变换器的小信号模型

4.4 V2C控制Buck变换器的仿真研究

4.4.1V2C控制Buck变换器的频域分析

4.4.2V2C控制Buck变换器的时域分析

4.5 DCM下V2C控制Buck变换器的小信号模型

4.5.1 DCM模式V2C控制Buck变换器的输入级模型

4.5.2 DCM模式V2C控制Buck变换器的输出级模型

4.5.3 DCM模式V2C控制Buck变换器的小信号等效电路

4.6 DCM模式V2C控制Buck变换器的仿真

4.6.1 DCM模式V2C控制Buck变换器的频域仿真

4.6.2 DCM模式V2C控制Buck变换器的时域仿真

4.7小结

第5章V2C控制Boost变换器分析

5.1引言

5.2 V2C控制Boost变换器工作原理

5.2.1 Boost变换器输出纹波分析

5.2.2 V2C控制Boost变换器的工作原理

5.3 CCM模式V2C控制Boost变换器的小信号模型

5.4 CCM模式V2C控制Boost变换器的仿真

5.4.1 CCM模式V2C控制Boost变换器的频域仿真

5.4.2 CCM模式V2C控制Boost变换器的时域仿真

5.5 DCM模式V2C控制Boost变换器的小信号模型

5.5.1 DCM模式Boost变换器的平均开关模型

5.5.2 DCM模式V2C控制Boost变换器的输入级模型

5.5.3 DCM模式V2C控制Boost变换器的输出级模型

5.5.4 DCM模式V2C控制Boost变换器的小信号等效电路

5.6 DCM模式V2C控制Boost变换器的仿真

5.6.1 DCM模式V2C控制Boost变换器的频域仿真

5.6.2 DCM模式V2C控制Boost变换器的时域仿真

5.7小结

第6章控制方法的通用模型

6.1引言

6.2控制方法的通用模型

6.2.1电压型控制方法的模型

6.2.2电流型控制方法的模型

6.2.3 V2控制方法的模型

6.2.4 V2C控制方法的模型

6.2.5控制方法的通用模型

6.3四种控制方法的分析比较

6.3.1四种控制方法的模型比较

6.3.2四种控制方法的传递函数比较

6.4小结

第7章实验研究

7.1实验参数

7.2 CCM模式的实验结果

7.2.1 CCM模式电流型控制的实验结果

7.2.2 CCM模式V2控制的实验结果

7.2.3 CCM模式V2C控制的实验结果

7.3 DCM模式的实验结果

7.3.1 DCM模式电流型控制的实验结果

7.3.2 DCM模式V2控制的实验结果

7.3.3 DCM模式V2C控制的实验结果

7.4实验结果的比较

7.4.1 CCM模式实验结果的比较

7.4.2 DCM模式实验结果的比较

7.5小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文及科研成果