Buck变换器双闭环控制仿真研究毕业论文

-12-system,instabilitycannotresultinacompletelyunboundedresponseasthesystemwilleitherreachasaturationlevel–orfail.Oscillationinaswitchingregulatorcan,atmost,varythedutycyclebetweenzeroand100%andwhilethatmaynotpreventfailure,itwillsultimatelimittheresponseofanunstablesystem.Fig.1.DefinitionofstabilityAnotherwayofvisualizingstabilityisshowninFig.2.Whilethisgraphicallyillustratestheconceptofsystemstability,italsopointsoutthatwemustmakeafurtherdistinctionbetweenlarge-signalandsmall-signalstability.Whilesmall-signalstabilityisanimportantandnecessarycriterion,asystemcouldsatisfythisrtquirementandyetstillbecomeunstablewithalarge-signalperturbation.Itisimportantthatdesignersrememberthatallthegainandphasecalculationswemightperformareonlytoinsuresmall-signalstability.Thesecalculationsarebasedupon–andonlyapplicableto–linearsystems,andaswitchingregulatoris–bydefinition–anon-linearsystem.Wesolvethisconundrumbyperformingouranalysisusingsmall-signalperturbationsaroundalarge-signaloperatingpoint,adistinctionwhichwillbefurtherclarifiedinourdesignprocedurediscussion。Fig.2.Large-signalvs.small-signalstabilityIII.FEEDBACKCONTROLPRINCIPLESThebasicregulatorisshowninFig.3whereanuncontrolledsourceofvoltage(orcurrent,orpower)isappliedtotheinputofoursystemwiththeexpectationthatthevoltage(orcurrent,orpower)attheoutputwillbeverywellcontrolled.Thebasisofourcontrolissomeformofreference,andanydeviationbetweentheoutputandthereferencebecomesanerror.Inafeedback-controlledsystem,negativefeedbackisusedtoreducethiserrortoanacceptablevalue–asclosetozeroaswewanttospendtheefforttoachieve.Typically,however,wealsowanttoreducetheerrorquickly,butinherentwithfeedbackcontrolisthetradeoffbetweensystemresponseandsystemstability.Themoreresponsivethefeedbacknetworkis,thegreaterbecomestheriskofinstability.Atthispointweshouldalsomentionthatthereisanothermethodofcontrol–feedforward.Withfeedforwardcontrol,acontrolsignalisdevelopeddirectlyinresponsetoaninputvariationorperturbation.Feedforwardislessaccuratethanfeedbacksinceoutputsensingisnotinvolved,however,thereisnodelaywaitingforanoutputerrorsignaltobedeveloped,andfeedforwardcontrolcannotcauseinstability.Itshouldbeclearthatfeedforwardcontrolwilltypicallynotbeadequateastheonlycontrolmethodforavoltageregulator,butitisoftenusedtogetherwithfeedbacktoimprovearegulator’sresponsetodynamicinputvariations.ThebasisforfeedbackcontrolisillustratedwiththeflowdiagramofFig.3wherethegoalisfortheoutputtofollowthereferencepredictablyandfortheeffectsofexternalperturbations,suchasinputvoltagevariations,tobereducedtotolerablelevelsattheoutput.Fig.3.FlowgraphoffeedbackcontrolWithoutfeedback,thereference-to-outputtransferfunctiony/uisequaltoG,andwecanexpresstheoutputasWiththeadditionoffeedback(actuallythesubtractionofthefeedbacksignal)andthereference-to-outputtransferfunctionbecomesIfweassumethatGH1,thentheoveralltransferfunctionsimplifiestoNotonlyisthisresultnowindependentofG,itisalsoindependentofalltheparametersofthesystemwhichmightimpactG(supplyvoltage,temperature,componenttolerances,etc.)andisdeterminedinsteadsolelybythefeedbacknetworkH(and,ofcourse,bythereference).NotethattheaccuracyofH(usuallyresistortolerances)andinthesummingcircuit(erroramplifieroffsetvoltage)willstillcontributetoanoutputerror.Inpractice,thefeedbackcontrolsystem,asmodeledinFig.4,isdesignedsothatGHandGH1overaswideafrequencyrangeaspossiblewithoutincurringinstability.WecanmakeafurtherrefinementtoourgeneralizedpowerregulatorwiththeblockdiagramshowninFig.5.Herewehaveseparatedthepowersystemintotwoblocks–thepowersectionandthecontrolcircuitry.Thepowersectionhandlestheloadcurrentandistypicallylarge,heavy,andsubjecttowidetemperaturefluctuations.Itsswitchingfunctionsarebydefinition,large-signalphenomenon,normallysimulatedinmoststabilityanalysesasjustatwostateswitchwithadutycycle.Theoutputfilterisalsoconsideredasapartofthepowersectionbutcanbeconsideredasalinearblock.Fig.4.ThegeneralpowerregulatorIV.THEBUCKCONVERTERThesimplestformoftheabovegeneralpowerregulatoristhebuck–orstepdown–topologywhosepowerstageisshowninFig.5.Inthisconfiguration,aDCinputvoltageisswitchedatsomerepetitiverateasitisappliedtoanoutputfilter.ThefilteraveragesthedutycyclemodulationoftheinputvoltagetoestablishanoutputDCvoltagelowerthantheinputvalue.Thetransferfunctionforthisstageisdefinedby=switchon-timeT=repetitiveperiod(1/fs)D=dutycycleFig.5.Thebuckconverter.Sinceweassumethattheswitchandthefiltercomponentsarelossless,theidealefficiencyofthisconversionprocessis100%,andregulationoftheoutputvoltagelevelisachievedbycontrollingthedutycycle.ThewaveformsofFig.6assumeacontinuousconductionmode(CCM)meaningthatcurrentisalwaysflowingthroughtheinductor–fromtheswitchwhenitisclosed,andfromthediodewhentheswitchisopen.TheanalysispresentedinthistopicwillemphasizeCCMoperationbecauseitisinthismodethatsmall-signalstabilityisgenerallymoredifficulttoachieve.Inthediscontinuousconductionmode(DCM),thereisathirdswitchconditioninwhichtheinductor,switch,anddiodecurrentsareallzero.Eachswitchingperiodstartsfromthesamestate(withzeroinductorcurrent),thuseffectivelyreducingthesystemorderbyoneandmakingsmall-signalstableperformancemucheasiertoachieve.Althoughbeyondthescopeofthistopic,theremaybespecializedinstanceswherethelarge-signalstabilityofaDCMsystemisofgreaterconcernthansmall-signalstability.ThereareseveralformsofPWMcontrolforthebuckregulatorincluding,•Fixedfrequency()withvariableandvariable•Fixedwithvariableandvariable•Fixedwithvariableandvariable•Hysteretic(or“bang-bang”)with,,andallvariableEachoftheseformshavetheirownsetofadvantagesandlimitationsandallhavebeensuccessfullyused,butsinceallswitchmoderegulatorsgenerateaswitchingfrequencycomponentanditsassociatedharmonicsaswellastheintendedDCoutput,electromagneticinterferenceandnoiseconsiderationshavemadefixedfrequencyoperationbyfarthemostpopular.Withtheexceptionofhysteretic,allotherformsofPWMcontrolhaveessentiallythesamesmall-signalbehavior.Thus,withoutmuchlossingenerality,fixedfSwillbethebasisforourdiscussionofclassical,small-signalstability.Hystereticcontrolisfundamentallydifferentinthatthedutyfactorisnotcontrolled,perse.Switchturn-offoccurswhentheoutputripplevoltagereachesanuppertrippointandturn-onoccursatalowerthreshold.Bydefinition,thisisalarge-signalcontrollertowhichsmall-signalstabilityconsiderationsdonotapply.Inasmallsignalsense,itisalreadyunstableand,inamathematicalsense,itsfastresponseisduemoretofeedforwardthanfeedback.REFERENCES[1]D.M.Mitchell,“DC-DCSwitchingRegulatorAnalysis”,McGraw-Hill,1988,DMMitchellConsultants,CedarRapids,[2]D.M.Mitchell,“Small-SignalMathcadDesignAids”,(Windows95/98version),e/jBLOOMAssociates,Inc.,1999.[3]GeorgeChryssis,“High-FrequencySwitchingPowerSupplies”,McGraw-HillBookCompany,1984.[4]RayRidley,“AMoreAccurateCurrent-ModeControlModel”,UnitrodeSeminarHandbook,SEM-1300,AppendixA2.[5]LloydDixon,“ControlLoopDesign”,UnitrodeSeminarHandbook,SEM-800.[6]LloydDixon,“ControlLoopDesign–SEPICPreregulatorDesign”,UnitrodeSeminarHandbook,SEM-900,Topic7.[7]LloydDixon,“ClosingtheFeedbackLoop”,UnitrodeSeminarHandbook,SEM-300.中文译文控制电路设计摘要本篇论文的写作目的，是为给设计师们提供一个实际性的说明，那就是线性补偿技术在电源转换与电流反馈操作中是如何应用的。一个组织管理严密的系统电路需要一开始就有一个基础的电流反馈操作理论的支持，并且通过一步步的设计步骤，从初步阶段应用到一个简单升压调节器，然后再扩展到其他的拓扑学与算数控制学中去。matchad模拟器也验证了设计样本中幅相裕度整定在分布设计中是存在的，并且还影响着实验的分析报告。一、简介验证所提议的电源供给解决方案的稳定性，一直就是电路设计过程中一个极具挑战性的方面。最让你感到窘迫的，并不是你最为得意之作的电路板正在实验的重要阶段中，被突然闯入的无序振荡所打乱，而是你实验恰恰验证了许多电路设计者感到最为头疼的数据分析。电路设计师常常强调，在实验室里要注重切换实验的实用价值，或者是以复杂的数学模式为电脑集成系统所需要的数据处理。然而这两者的方向都是以电路设计的前提为基础。于是，对反馈原理最基本的理解将帮助我们去定义接受性补偿网系统的最小值计算范围。二、稳定性的界定图1稳定的定义图1直接展示了至少一个关于稳定性的界定。用最简洁的术语来说，如果一个电路系统是稳定的，就算被从某些来源说产生的微扰所压制时，返回的微扰的也将会一并抵消。需要注意的是，在任何实用电路中，不稳定性不会导致一个完全无束缚的反应，这就如同电路既会达到饱和状态——也会处于缺损状态一样。正在调节器转化过程中的振荡极有可能在零和百分之一百间的负荷周期中波动，并且这种变化不可能阻止失败，它将最终制约不稳定电路的回流电。图2展示的是另外一个设想的稳定性。尽管该图形象地展示了电路稳定性的观点，但与此同时，也指出了我们必须将大信号的稳定性与小信号的稳定性严格区分开来。然而小信号的稳定性是一个非常重要和非常需要的判断标准，一个电路也可以满足这个要求，并且会与一个大信号的微扰一起变得不稳定。重要的是，电路设计师们需要记得，所有我们可能执行的幅相裕度整定计算仅仅只是确保了小信号的稳定性。这些计算结果主要依靠——并且只适用于——线性电路，和一个转换调节器——被定义为——非线性的电路。我们通过用围绕小信号直流工作点周围小信号的微扰，来演算我们的分析结果，去解决这个迷团。这之中的具体差别将会在接下来的设计过程的有关探讨来说明。图2强信号和弱信号三、反馈电流控制原理展示的是一个最基本的调节器，在这里，不受控制的电压来源（或者电流，或者功率）将会被应用到电路的输入，且在输出过程中被这个不受控制的电压（电流或者功率）的预期值完全的掌控。电流控制的基础是一些基准电压的结构，任何在输出电流和基准电压之间的偏差都是会导致电路的错误。在一个反馈操作电路中，负反馈回流电是用来减少在可接受的标准内这种错误——就如我们希望能从一开始付出努力，一直坚持到最后能成功一样。然而，按照典型的案例来说，我们也希望让错误不会那么快的发生，但是回流电控制电路本身就存在着频率响应与电路稳定性的互换。回流电路的频率响应越多，不稳定的危险性就越大。在这一点上我们应该注意，另外一个控制方法——前反馈。通过前反馈的控制，一个控制信号将被直接地发展到去回应一个输出波动或者微扰中。前反馈没有回流电那么精准，因为检测输出电流不是那么复杂难懂，然而，无法否认的是，等待一个输出电流的错误信号会被发现，而且前反馈控制无法产生不稳定性。需要清楚表明的是，典型的前反馈控制将不像只有一个电压调节器的控制线路那么有效，但是前反馈的控制经常被用于和反馈一起去加快调节器对动态输入变动的响应频率。图3中的电流图阐述了反馈控制的基础，目标就是为了输出功率能跟着可以预测的基准电压，为了将外部微扰的影响，如同输出功率的变动一样，能会被减少到输出功率所能接受的等级上。图3反馈控制流图如果没有反馈电，基准电压到输出功率的转换函数y/u就跟G是一样的，我们可以这样表达输出功率：另外反馈电流（实际上是反馈信号的减法）：之后r基准电压与输出功率的转换函数：如果我们假设GH=1，那么整体的转换函数就是：这个函数不仅使得G现在成为独立，它还使所有的电路参数都变得独立，这这可能会影响G（供给功率、温度、元件公差，等等）并且被只被回流电路H（并且，理所当然的，被基准电压作用）所代替来决定它。值得一提的是，H的准确性（通常称为电阻的公差）和电路的总和（错误放大补偿功率）将继续造成输出电流的错误。在实际中，反馈控制电路，如图4的模型所示，如此设计是为了使G：H和GH=1的振动频率能越大范围越好并且不会产生任何不稳定性。我们可以进一步的改良概括功率调节器就像图4所见到的一样。在这里我们有单独分开的功率系统进去到两个板块——功率段和控制电路。功率段处理电流的负荷，并且功率段通常是大、重、经历广阔的温度范围波动。它的转换功能被定义为，大信号现象，通常在最稳定的分析结果中进行模拟，就像在负荷周期中的两极转换一样。输出电流过滤器被当做为线性板块。控制电路通常有一个增长板块——错误发大器——和宽脉冲波调幅器所组成，用来定义电压转换。图4一般电源稳压降压转换器上述一般动力的最简单形式降压稳压器-或降压-拓扑它的功率级，如图6所示在这配置，直流输入电压起动，有些重复率，因为它是适用于输出过滤器。该过滤器的占空比平均输入电压的调制建立输出直