本科毕业论文基于双频率调制的开关电源设计.doc

合 肥 工 业 大 学本科生毕业论文题 目：基于双频率调制的开关电源设计学生姓名： 李德华 指导老师： 王金平 学 院： 合肥工业大学 专业班级： 电气工程及其自动化 完成时间： 2014-5-18 合 肥 工 业 大 学毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）题目 基于双频率调制的开关电源设计毕业论文（设计）时间从2014年3月1日至2014年6月1日一、毕业论文（设计）内容要求1、提出了开关变换器电流型双频率脉冲序列调制 BF-PTM 方法，研究了电流BF-PTM的控制策略。电流型 BF-PTM 控制技术无需误差放大器及其相应的补偿网络，具有结构简单，稳定性好，动态响应速度快，电磁干扰噪声水平低，易于实现等优点；此外，通过将电感电流引入到控制环，易于实现电流型 BF-PTM 控制开关变换器的过电流保护和多变换器的并联均流控制。以电感电流断续导电模式 Buck 变换器为例，对电流型 BF-PTM 控制开关变换器进行了研究，仿真及实验结果表明，电流型 BF-PTM 比传统的电流型 PWM 具有更快的动态响应速度和更低的电磁干扰噪声。 2、论文应当符合合肥工业大学继续教育学院2014届毕业论文工作手册关于论文格式的要求，不少于10000字。二、主要参考资料1 杨旭, 裴云庆, 王兆安. 开关电源技术M. 北京: 机械工业出版社, 2004. 2 Smedley K M, ?uk S. One-cycle control of switching convertersJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(6): 625-633. 3 Castilla M, De Vicuna L G, Guerrero J M, et al. Designing VRM hysteretic controllers for optimal transient responseJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(3): 1726-1738. 4 Castilla M, De Vicuna L G, Guerrero J M, et al. Simple low-cost hysteretic controller for single-phase synchronous Buck convertersJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1232-1241. 5 Tan S C, Lai Y M, Tse C K. General design issues of sliding mode controllers in DC-DC convertersJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(3): 1160-1174. 6 Telefus M, Shteynburg A, Ferdowsi M, et al. Pulse TMtrain , a novel digital control method, applied to a discontinuous mode flyback converter C. IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2003, 1141-1146. 7 Ferdowsi M, Emad Ai, Telefus M, et al. Pulse regulation control technique for flyback converterJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 2005, 20(4): 798-805. 三、毕业论文（设计）进度安排阶段阶 段 内 容起止时间1选 题2014.3.16-2014.4.102确定大纲、开题报告3.21-4.13毕业实习4.1-5.134初稿5.13-5.225二稿5.22-5.316论文定稿5.23-5.307论文答辩6.1指导教师（签名） _ 时间：_系(所)主任(签名)_ 时间：_主管院长（签名）_ 时间：_合 肥 工 业 大 学毕业论文（设计）成绩评定表（一）指导教师评语 建议成绩 指导教师 _年_月_日合 肥 工 业 大 学毕业论文（设计）成绩评定表（二）论文（设计）评阅人评语 论文（设计） 建议成绩：_ 评阅人_ _年_月_日 合 肥 工 业 大 学毕业论文（设计）成绩评定表（三）答辩记录及意见 答辩成绩：_ 答辩委员会（小组）负责人_ _年_月_日 学院领导小组审查意见： 成绩评定：_ 负责人：_ _年_月_日目 录摘要引言1一、电流型 BF-PTM 控制原理2二、稳态分析3三、小信号模型 4四、仿真结果 5五、实验验证 9结语10参考文献13致谢14摘 要提出了开关变换器电流型双频率脉冲序列调制 BF-PTM 方法，研究了电流BF-PTM的控制策略。电流型 BF-PTM 控制技术无需误差放大器及其相应的补偿网络，具有结构简单，稳定性好，动态响应速度快，电磁干扰噪声水平低，易于实现等优点；此外，通过将电感电流引入到控制环，易于实现电流型 BF-PTM 控制开关变换器的过电流保护和多变换器的并联均流控制。以电感电流断续导电模式 Buck 变换器为例，对电流型 BF-PTM 控制开关变换器进行了研究，仿真及实验结果表明，电流型 BF-PTM 比传统的电流型 PWM 具有更快的动态响应速度和更低的电磁干扰噪声。 关键词：开关变换器 双频率脉冲序列调制 动态响应 电磁干扰噪声 Abstract Current-mode bi-frequency pulse-train modulation (BF-PTM) for switching converters is proposed in this paper. The control strategy of current-mode BF-PTM is studied. It is known that no error amplifier and its compensation circuit are needed for current-mode BF-PTM controlled switching converter, which benefits with simpler control circuit, excellent stability, faster transient response, lower EMI and easy implementation. Introducing the induct current into the control loop makes it easy to realize over current protection and load sharing among switching converters when they are operating in parallel. Buck converter operating in discontinuous conduction mode (DCM)is taken as an example to illustrate the application of current-mode BF-PTM. Finally, simulation and experimental results indicate that current-mode BF-PTM has much faster transient response and lower EMI noise than conventional current-mode pulse width modulation (PWM) technique. Key words: Switching converter, bi-frequency pulse-train modulation (BF-PTM), transient response, EMI noise 15引 言开关变换器具有功率转换效率高、功率密度大和重量轻等明显优点而得到了广泛应用【1】 。目前，越来越多的应用场合要求开关变换器具有快速地动态响应速度，以使电气设备负载快速变化时，保持输出电压恒定或快速恢复稳态；此外，随着 EMI 标准的建立与完善，要求开关变换器具有较低 EMI 噪声，以减少对电网以及周围环境的污染。 随着对开关电源动态响应速度要求的不断提高，以线性控制理论为基础的传统 PWM 调制方式已越来越难以满足要求。一些非线性控制技术，如单周控制【2】 、滞环控制【3、4】 、滑模控制【5】 及脉冲序列控制【6-8】等被应用于开关变换器控制系统的设计。单周控制对输入电压扰动具有良好地抑制能力，但存在负载动态响应速度慢和稳态误差的缺点；滞环及滑模控制具有快速地动态响应速度，但它们的工作频率随输入电压或负载的变化而变化，增加了滤波器的设计难度；脉冲序列控制实现简单，负载动态响应速度快，极大地提高了开关变换器的动态响应速度。 已有研究成果表明，PWM 开关变换器的 EMI峰值主要集中在开关频率及其倍频处【9】 ，采取滤波和屏蔽实现 EMI 抑制的方法增加了硬件的成本和体积【10】 ，因此，从产生机理上抑制开关变换器 EMI是最理想的有效途径，开关频率调制【11】 和开关频率的混沌控制【12】 从机理上很好地降低了 EMI 噪声水平。 为了提高开关变换器的动态响应速度，降低开关变换器的 EMI，本文提出了开关变换器的电流型双频率脉冲序列调制（Bi-Frequency Pulse-Train Modulation，BF-PTM）方法。电流型 BF-PTM 开关变换器实现简单，无需误差放大器及其相应的补偿网络设计，动态响应速度快，EMI 噪声小，易于实现过电流保护和并联均流控制。本文以 DCM（discontinuous conduction mode）Buck变换器为例，分析了电流型 BF-PTM 工作原理及控制策略，进行了稳态分析，建立了小信号模型。仿真及实验结果表明，电流型 BF-PTM 不仅具有快速的动态响应速度，而且利用频率拓展原理有效地降低了变换器EMI 噪声水平，具有优越的控制性能。 一、电流型 BF-PTM 控制原理电流型 BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器如图 1所示。当 Buck 变换器工作于 DCM 时，电感电流在开关管 V 导通前为零，续流二极管 VD 在零电流下关断，这种固有的软开关特性使得变换器具有较高的工作效率。从图 1 可以看出，电流型 BF-PTM 控制器由比较器、D 触发器、延时器、窄脉冲触发装置和 RS 触发器组成，其中比较器 I 与 D 触发器构成输出电压监测电路。当 D 触发器 CLK 端触发脉冲 Uc 来临时，其 Q 端电平与 D 端保持一致，之后一直保持不变，直到触发脉冲 Uc 再次来临。当 CLK端触发脉冲来临时，若 D 触发器 Q 端输出高电平，则表明当前时刻输出电压 Uo 低于参考电压 Uref；反之，若 Q 端输出低电平，则表明当前时刻输出电压Uo 高于参考电压 Uref。 触发脉冲 Uc 来临的同时，RS 触发器置位，其Q 端输出高电平，Buck 变换器开关管 V 导通，电感电流iL线性上升；当电感电流上升到电流限定值ILim 时，比较器 II 输出端电平翻转置高，RS 触发器复位，其 Q 端输出低电平，Buck 变换器开关管 V 关断，电感电流线性下降。图 1 电流型 BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器Fig.1 Current-mode BF-PTM controlled DCM buck Converter由于 ILim 的存在，使得电流型 BF-PTM 具有自动限流功能，从而可以实现过电流保护。 当触发脉冲 Uc 来临时，若 D 触发器 Q 端输出高电平，电流型 BF-PTM 控制器经过 TH 时间后使窄脉冲触发装置产生触发脉冲；反之，若 D 触发器 Q端输出低电平，控制器则经过 TL（k=TL/TH，k1）时间后使窄脉冲触发装置产生触发脉冲，分别为 D触发器和RS触发器提供触发时钟信号和置位信号，进入下一开关周期。 由以上分析可知，电流型 BF-PTM 控制器由输出电压外环与电感电流内环构成，输出电压外环决定控制脉冲 UP 的周期为 TH 或 TL，电感电流内环决定开关管 V的导通时间。电流型 BF-PTM控制 DCM Buck 变换器工作原理如图 2 所示。 图 2 中，在 t1 时刻，触发脉冲 Uc 来临，开关管V 导通，电感电流 iL 线性上升，当电感电流上升到ILim 时，开关管 V 截止，电感电流线性下降到零。由于 t1 时刻输出电压 Uo 小于参考电压 Uref，D 触发器 Q 端输出高电平，因此当前控制脉冲的周期为TH；而在 t2 时刻，输出电压 Uo 高于参考电压 Uref，电流型BF-PTM控制器选择TL作为该控制脉冲的周期。 由图 2 及以上分析可知，触发脉冲 Uc 来临时刻（即控制脉冲 UP 的开始时刻）输出电压与参考电压间的大小关系决定了当前控制脉冲周期为 TH 或 TL控制脉冲 UP 为两个不同频率的脉冲的组合。因此相对于 PWM 控制方式，电流型 BF-PTM 控制开关变换器的开关频率不再单一恒定，控制脉冲频谱能量被扩展到两个固定频率及其谐波上，从而有效降低了 EMI 峰值，使开关变换器具有较低的 EMI 噪声。 二、稳态分析当电流型 BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器稳定工作时，由图 2 可知在任意开关周期，电感电流从零上升到电流限定值 ILim 的时间，即开关管导通时间为 故在任意开关周期内，DCM Buck 变换器输入电流平均值 Iin 为 当开关周期为 TH 时，式（2）中 T=TH，否则T=TL。 由式（1）、式（2）可得任意开关周期内变换器输入功率 Pin1 为 当电流型 BF-PTM 控制 Buck 变换器稳定工作时，若干高频率脉冲周期 TH 与低频率脉冲周期 TL构成一个循环周期，控制脉冲以循环周期进行循环。假定一个循环周期由H 个高频率脉冲周期 TH 与L个高频率脉冲周期 TL 组成，由此可得电流型BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器的平均输入功率在式（4）中，分别令H 和L 均为零，可以得到输入功率的最小值 Pin, min 和最大值 Pin, max 式（5）确定了输入功率的变化范围。从式（5）可以看出，通过改变 ILim、TH 和 TL 的值能够调节电流型 BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器的输入功率变化范围。 此外，式（5）同样确定了电流型 BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器理论上（不考虑损耗）的输出功率调整范围。在进行电流型 BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器设计时，输出功率 Po 必须满足否则，若期望输出功率大于 Pin, max，由于输入功率不足，输出电压将低于参考电压，电流型BF-PTM 控制器将一直选择 TH 作为控制脉冲周期；同样，若期望输出功率小于 Pin, min，由于输入功率过剩，电容储能，输出电压高于参考电压，控制器将一直选择 TL 作为控制脉冲周期。此时，电流型BF-PTM 控制失效，Buck 变换器输出电压失控。 三、小信号模型 假定电流型 BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器稳定工作时，?H 个高频率脉冲周期 TH 和L 个低频率脉冲周期 TL 构成控制脉冲循环周期（HTH+LTL）。在一个控制脉冲循环周期内，电感电流平均值为 此外，对于 Buck 变换器有 由式（8）、式（9）可以建立电流型 BF-PTM 控制Buck 变换器的小信号模型，如图3所示。 四、仿真结果为了验证开关变换器电流型 BF-PTM 方法的控制性能，采用 PSIM 软件对电流型 BF-PTM 控制DCM Buck 变换器进行了仿真研究，仿真电路参数：Uin=20V，Uo=6V，L=10H，C=1880F，TH=15s，TL=60s，ILim=5.6A，其中输出电容等效串联电阻RESR=20m。 图 4 为输出功率为 6W 时电流型 BF-PTM 控制DCM Buck 变换器的稳态仿真结果。从图中可以看出，此时控制脉冲循环周期由 1 个高频率脉冲周期及 1 个低频率脉冲周期构成。 图5为输出功率为12W时电流型BF-PTM控制DCM Buck 变换器的稳态仿真结果。此时，控制脉冲循环周期由11个高频率脉冲周期及1个低频率脉冲周期构成。相对于图 4，随着负载功率增加，控制脉冲循环周期内高频率脉冲周期数明显增加，以向变换器输出端传递更多的能量，满足负载要求。 图 6 为负载电流在 6.0ms 时由 1A 突变至 2A，即输出功率由 6W 突变至 12W 时，分别采用电流型PWM 控制和电流型 BF-PTM 控制的 DCM Buck 变换器的动态响应速度仿真结果，其中电流型 PWM的开关周期为 15s，误差放大器采用 PI 调节（比例系数 Kp=5，积分时间 TI=0.5s）。从图 6 可以看出，面对同样的负载突变，电流型 BF-PTM 控制的动态响应速度很快，几乎没有调整时间，动态响应性能明显优于电流型 PWM 控制。图 7 为负载电流大范围变化时电流型 BF-PTM控制 DCM Buck 变换器的仿真结果。对于文中仿真电路参数，由式（5）可以确定输出功率变化范围为（3.714.93W），所以在图 7 中当负载功率为 6W时，输出电压稳定在期望值 6V，而当负载功率分别为 20W 和零时，BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器的输出功率超出了调节范围，输出电压失调，输出电压分别低于和高于期望输出电压，这与式（6）理论分析结果一致。 图 8 所示为电流型 PWM 控制与电流型BF-PTM控制 DCM Buck变换器主功率 Mosfet漏源间电压信号 uDS 的频谱图。从图中可以看出，采用电流型 BF-PTM 控制时，uDS 频谱具有更低的谐波峰值，从而产生更低的 EMI 噪声，使得变换器更容易满足相应的 EMC 标准。 五、实验验证为了验证理论分析与仿真结果的正确性，采用与仿真一致的电路参数，制作了相应的实验系统进行实验验证。 图 9 所示为不同输出功率时电流型 BF-PTM 控制 DCM Buck 变换器的稳态实验结果。在图 9a 中，控制脉冲循环周期由 1 个高频率脉冲周期及 1 个低频率脉冲周期构成。在图 9b 中，控制脉冲循环周期由 15 个高频率脉冲周期及 1 个低频率脉冲周期构成，实验结果与仿真结果给出的控制脉冲循环周期组成的差别，是由实验电路的非理想功率变换效率的影响造成的。图 9 与图 4、图 5 仿真结果类似，随着输出功率的增加，控制脉冲循环周期内高频率脉冲数量也随之增加，以向输出端提供更多的功率。图10为负载突变时电流型PWM控制与电流型BF-PTM控制DCM Buck 变换器的输出电压及负载电流实验波形。从图中可以看出，当负载瞬间加载或减载时，电流型 BF-PTM 控制能够快速调整输出电压，比电流型 PWM 具有更为优越的动态响应性能。图 11 所示为电流型 PWM 控制和电流型BF-PTM控制 DCM Buck变换器主功率 Mosfet漏源间电压信号 uDS 的频谱图。从图中可以看出，采用电流型 BF-PTM 控制时，DCM Buck 变换器 uDS 频谱存在较多的边频分量，有效降低了谐波峰值，从而产生更低的 EMI 噪声，使得变换器更容易满足相应的 EMC 标准。结 语本文提出了开关变换器电流型双频率控制技术，该技术无需误差放大器及其相应的补偿网络，具有结构简单，易于实现等优点。电流型 BF-PTM控制采用高、低频率脉冲对开关变换器输出电压进行调整，降低了电磁干扰噪声水平，且随着电流环的引入，使得变换器具有自动限流功能，提升了输入电压动态响应速度，仿真及实验结果验证了电流型 BF-PTM 控制的优越性。 参 考 文 献：1 杨旭, 裴云庆, 王兆安. 开关电源技术M. 北京: 机械工业出版社, 2004. 2 Smedley K M, ?uk S. One-cycle control of switching convertersJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(6): 625-633. 3 Castilla M, De Vicuna L G, Guerrero J M, et al. Designing VRM hysteretic controllers for optimal transient responseJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54(3): 1726-1738. 4 Castilla M, De Vicuna L G, Guerrero J M, et al. Simple low-cost hysteretic controller for single-phase synchronous Buck convertersJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(4): 1232-1241. 5 Tan S C, Lai Y M, Tse C K. General design issues of sliding mode controllers in DC-DC convertersJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(3): 1160-1174. 6 Telefus M, Shteynburg A, Ferdowsi M, et al. Pulse TMtrain , a novel digital control method, applied to a discontinuous mode flyback converter C. IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2003, 1141-1146. 7 Ferdowsi M, Emad Ai, Telefus M, et al. Pulse regulation control technique for flyback converterJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 2005, 20(4): 798-805. 8 Khaligh A, Rahimi A M, Emadi A. Modified pulse-adjustment technique to control DC-DC converters driving variable constant-power loadsJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(3): 1133-1146. 9 杨汝, 张波, 丘东元. 混沌开关变换器EMI动态频谱的小波分析 J. 电工技术学报 , 2007, 22(11): 110-116. Yang Ru, Zhang Bo, Qiu Dongyuan. Wavelet analysis of dynamic EMI spectrum in chaotic switching-mode converterJ. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(11): 110-116. 10 Qian Z M, Wu X, Liu Z Y, et al. Status of electromagnetic compatibility research in power electronicsC. Power Electronics and Motion Control Conference, 2000: 46-57.