原边反馈反激电源的数字多模式控制算法设计

论文总字数：30124字

摘 要

本科生签名： 指导导师签名： 日期：

原边反馈反激电源的数字多模式控制算法设计

摘 要

原边反馈反激变换器由于结构简单，成本较低，效率较高，在低功率应用领域被广泛采用。基于该电源拓扑的数字多模式控制具有高灵活性，良好的动态响应和较高的平均效率，逐渐成为了科研研究的热点。

本文首先调研了过去几十年来原边反馈反激变换器相关的研究成果，包括原边采样技术，多模式控制方案等，并分析了反激变换器和原边反馈的工作原理以及峰值电流控制模式的工作原理，比较了各种控制方案的优点与不足。其次采用了一种新型的数字多模式控制方案，根据电源负载的变化实现PWM-PFM-DPWM-DPFM四种模式的切换，并设计了新型数字采样算法，数字PI控制算法以及多模式判断算法。最后搭建了MATLAB的Simulink仿真环境，并进行了系统仿真。

根据Simulink系统级仿真验证，在全负载范围内输出电压稳定在5V附近，在PWM-PFM-DPWM模式下，恒压精度在1%以内，在DPFM模式下恒压精度在2%以内，并且多模式切换平滑稳定，电压纹波不超过100mV，满足了设计要求。

关键词：原边反馈，数字控制，多模式，数字采样，PI补偿

A DESIGN OF DIGITAL MULTI-MODE CONTROL ALGORITHM

ON PSR FLYBACK POWER SUPPLY

Abstract

Because of its simple structure, low cost and high efficiency, PSR flyback converter is widely used in low-power applications. Based on the power topology, the digital multi-mode control approach achieves the combined benefits of high flexibility, great dynamic response and high average efficiency. This approach has become a scientific research focus.

First, this paper investigates the past research related with PSR flyback converter, including primary sampling techniques, multi-mode control solution and so on. It analyzes the working principle of the flyback converter and PSR. Then it analyzes the working principle of the peak current control mode and compares the advantages and disadvantages of various control solutions. Second, this paper adopts a new digital multi-mode control solution. According to the change of the power load, it could realize switching four modes with PWM-PFM-DPWM-DPFM. Moreover, it designs a new digital sampling algorithm, digital PI control algorithm and multi-mode judgment algorithm. Finally, it builds a simulation environment by MATLAB Simulink and makes a system simulation.

According to the system simulation in Simulink, the output voltage is about 5V in the whole load range. In the PWM-PFM-DPWM mode, the constant voltage accuracy is less than 1%, while the constant voltage accuracy is less than 2% in the DPFM mode. In addition, the multi-mode switching is smooth and stable. The voltage ripple is less than 100mV and the design goals are achieved.

KEY WORDS: PSR, digital control, multi-mode, digital sensing, PI compensation

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract …………………………………………………………………………… Ⅱ

目录 ……………………………………………………………………………………Ⅲ

1. 绪论 ………………………………………………………………………1

1.1 课题研究的背景与意义………………………………………………………1

1.2 国内外研究现状………………………………………………………………2

1.3 论文的主要内容与设计指标…………………………………………………3

1.4 论文的框架与结构……………………………………………………………3

1. 原边反馈反激变换器的原理与相关技术……………………………………4

2.1 原边反馈反激变换器基本原理 ……………………………………………4

2.2 原边反馈反激变换器多模式控制原理 ……………………………………6

2.2.1 PWM-PFM多模式控制 ……………………………………………6

2.2.2 PWM-PFM-DPWM-DPFM多模式控制 ……………………………7

2.3 峰值电流控制原理 …………………………………………………………8

2.4 本章小结 ……………………………………………………………………9

1. 原边反馈反激变换器核心算法设计 ……………………………………10

3.1 整体算法框架 ………………………………………………………………10

3.2 数字采样算法设计 …………………………………………………………11

3.2.1 数字采样原理 ……………………………………………………11

3.2.2 数字采样算法实现 ………………………………………………12

3.3 数字PI控制算法 …………………………………………………………13

3.4 多模式判断算法 …………………………………………………………14

3.5 本章小结 …………………………………………………………………15

1. 系统的整体算法实现与仿真分析 …………………………………………16

4.1 整体算法设计流程 ………………………………………………………16

4.2 控制算法实现 ……………………………………………………………17

4.2.1 数字采样算法实现 ………………………………………………18

4.2.2 数字PI控制算法实现 …………………………………………19

4.2.3 多模式判断算法实现 ……………………………………………19

4.3 系统仿真结果分析 ………………………………………………………20

4.3.1 系统各个模式输出特性仿真 ……………………………………20

4.3.2 系统稳态特性仿真 ………………………………………………23

4.4 本章小结 …………………………………………………………………23

1. 总结和展望 ………………………………………………………………25

5.1 总结 ………………………………………………………………………25

5.2 展望 ………………………………………………………………………25

致谢 …………………………………………………………………………………26

参考文献（References） ……………………………………………………………27

1. 绪 论

本章内容主要由以下两个部分构成：一是介绍本课题的研究背景和意义以及国内外的研究历程与趋势；二是提出本课题研究的主要内容和设计指标，以及本篇论文的主要框架和结构。

1.1 课题研究的背景与意义

21世纪以来，便携式消费电子产品层出不穷，比如智能手机，智能手环，平板电脑，甚至是未来将会出现的便携式机器人。人们如今已经离不开这些电子产品了，由于消费电子产品的大量需求，加上消费电子产品一年一更新甚至是半年一更新的频率，作为电子产品必不可少的电源模块也就产生了大量的需求。电源模块能够提供设备恒定的电流或者是恒定的电压，那么那些成本较低，效率较高，结构简单的电源模块自然能够得到大家的青睐。同时全球范围内的能源标准也在逐步加强，对于电源活动模式的平均效率的要求也越来越高，为了满足能源标准和减少全球变暖等能源环境问题，改善电源的整体效率也成为电源模块设计中需要关注的问题。

反激电源的主拓扑电路可以分为两种控制方式：副边反馈和原边反馈。副边反馈需要采用光耦合器来提供恒流和恒压的控制[1]，但是容易受温度变化的影响，温度的变化使得电流传输出现非线性变化，最终会产生输出电压精度上的误差。由于上述原因，现在普遍采用新的控制方式，即原边反馈控制方式。原边反馈只需要通过变压器的辅助绕组来采样输出电压的信息[2][3]，代替了副边反馈的光耦合器，消除了光耦合器带来的电路复杂，不可靠性等问题。

同样地，本文在控制实现方式上采用的是数字控制方式。数字控制方式是属于相对较新的一种控制方式，有着集成性好，可靠性高，适应能力强，非常灵活等优点，已经在很多领域上代替了传统的模拟控制方式[4]。模拟控制方式虽说有着几十年的研究，体系很成熟，但是有着其固有的不可避免的缺陷，比如容易受温度等外界环境的影响，电路复杂，集成度低，容易产生老化误差等，随着电子产业的发展，电子设备做的越来越小，越来越精细，对性能和集成度的要求越来越高，模拟控制方式已经跟不上潮流，逐渐地被数字控制方式所替代。

模式控制方式包括脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）和脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）。传统的单模式控制方式在整个负载范围内均采用一种模式（PWM或者PFM）控制，这种方法相对简单，容易执行，但是可能会带来一些严重的问题。比如说过去的PWM变换器在整个负载范围内均采用恒定的PWM频率，这种情况下在轻负载的时候效率就很低。再比如过去的PFM变换器在整个负载范围都工作在PFM模式下。在这种情况下，开关频率通常要从满负载的最大值降到非常轻负载时的几千赫兹。这样的话，当开关频率下降到大约16kHz时就会产生声频噪声，而且仍有显著的能量剩余，这对消费电子产品（比如低功率AC/DC手机适配器/充电器，掌上电脑和数码相机等）来说是不可接受的。后来人们采用PWM-PFM双模式控制方式来避免上述问题，但是还会带来诸如模式之间切换不稳定导致的电压波纹，效率低等问题。

为了提高反激变换器的平均效率，针对不同负载范围内的不同情况，本文采取了数字复合多模式的控制方案[5]。数字复合多模式控制方案有着针对性强，灵活性强等优点，能够有效地提高全负载范围内的平均效率。然而，和PWM-PFM双模式控制方式相类似，多模式控制方案也带来一些不可避免的问题，比如说模式切换不稳定，影响系统的动态响应，模式之间不能实现平滑切换，导致在临界点出现较大的输出电压波纹；比如说数字采样问题，既要顾及采样的精度与准确性，又要顾及集成度与器件大小。

如上所述，性能优异的电源模块对于消费电子产品有着极其重要的作用，因此如何设计出一种效率高，结构简单的电源模块显得至关重要。本文所研究的原边反馈反激电源的数字多模式控制可以做到结构简单，平均效率较高，不管是从商业角度还是学术角度看，都具有很高的价值与意义。

1.2 国内外研究现状

电源控制集成电路已经研究了很长的时间了。在早期时候，人们采用一种简单的输入电压前馈的控制方案来调节输出电压，包括1997年时的Kazimierczuk和Massarini[6]，1999年时的Kazimierczuk和Starman[7]以及1999年时的Weimer等。为了在输入或者负载变化时获得更加稳定的输出电压，一种输出电压反馈控制方案已被广泛采用。人们在反馈控制模型上已经做过大量的研究（比如2001年时的Erickson和Maksimovic[8]，2005到2007年时的Bryant和Kazimierczuk[9-12]，2008年时的Kazimierczuk[13]以及2010到2012年间的Kondrath和Kazimierczuk[14-16]）。 2005年Murthy和Kazimierczuk发现反激变换器结构简单，成本较低，元件较少，输入和输出之间完美隔离，使其在低功率设备中广泛应用[17]。因此，对于反激变换器，设计一个高精度的反馈电路很有意义。传统的反激变换器利用光耦合器来反馈输出电压并且不会破坏输入与输出之间的隔离。然而，1988年Sayani等发现，光耦合器的电流传输比随着温度和时间的变化而变化。而且，把光耦合器集成到一个芯片上是不切实际的。后来，人们又提出了一种新的反馈技术，即原边反馈。原边反馈在变压器原边引入一个辅助绕组来获取输出信号的信息。当截止时，输出电压以一个固定周期从原边采样。Chang等人对原边反馈中的采样误差进行了研究和分析，得到了原边反馈控制的理想采样点。2009年,Chang和Tzou发现，在这个过程中，输出电压和反馈电压之间的误差将由寄生电阻上的压降与输出二极管的正向电压引入[18]。为了实现更高的精度，2009年Chang等人提出了一种解决方案，在二极管正向电压引起的误差仍然存在时，这个方案能够消除由寄生电阻带来的误差。2012年，Kang和Maksimovic在辅助绕组的电流几乎降为0时采用模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）来采样电压[19]。虽然反馈误差最小化了，但仍然受到ADC的时钟周期和变压器的谐振周期之间匹配的影响。这个谐振周期在不同的应用中是不相同的。而且ADC的实现是很昂贵的。

传统的模拟控制方式在反馈控制模型上被大量采用。然而，模拟电路存在自身固有的缺陷，作为更加新颖的控制方式，即数字控制方式有着更多的优点，比如对参数变化的不敏感性，可编程性，以及更少的外部元件等。因此，数字控制方式逐渐得到大量的研究（2003年时的Peterchev等以及2010年时的Maksimovic[20]都做过相关的研究）。国内孔教授提出了一种增量式数字PI控制和占空比补偿相结合的技术，通过这个技术能够增加数字控制环路的动态响应[21]。Angel de Castro等提出一种通过FPGA数字控制来实现的AC-DC电源，利用VHDL硬件语言来实现控制算法，对设计的灵活性的独立性有很大的提高[22]。不少文献对数字控制和模拟控制两种控制方式进行了对比，发现数字控制方式在成本和灵活性上优势很大。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：30124字

相关图片展示：