Boost变换器暂态控制策略的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种Boost变换器暂态控制策略的设计方法，即根据输出端负载的跳变情况，判断出输出电流是突增还是突减，若突增启动电流突增暂态控制策略，若突减启动电流突减控制策略，若没有发生突变，则沿用电流滞环稳态控制策略。所设计的暂态控制策略在维持输出电压波动幅度的基础上有效缩短了暂态恢复过程，提高了输出电压的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
Boost变换器暂态控制策略的设计方法
本专利技术涉及开关电源设计领域，具体来说就是一种Boost开关电源暂态控制策略的新方法。
技术介绍
Boost变换器由于其结构简单、易于实现、效率较高而广泛应用于电源场合，一般情况下，Boost变换器都能够稳定输出电压，但在负载发生跳变的情况下，电压会出现一定的过冲，就会出现暂态恢复过程时间过长的问题，导致电源的动态性能过差。Boost变换器暂态控制策略主要解决的是在维持输出电压波动幅度的基础上暂态恢复过程时间过长的问题，目前已有的开关变换器的控制方法有滑模变结构控制方法、电压型控制方法、峰值电流控制等方法，但是这些方法都存在一定的不足，比如滑模变结构控制方法以牺牲稳态精度为代价提高了动态性能，电压型控制方法仅通过检测输出电压进行单环反馈控制，具有电路简单的优点，但是对输入电压和负载变化的响应速度慢。在设计开关电源中，开关频率的选取对开关电源的性能影响很大，开关频率太大会造成过大开关损耗，对于Boost变换器开关频率的大小会影响到电感值的选取，也会影响到电容值的选取，因此开关频率的选取至关重要。同时电感电流的补偿取决于电压偏差的增益，增益足够大就会越接近输出电压，但是实际增益越大，输出电压产生的过冲也会越大，太小会导致启动时间过长且调节力度不够，所以应结合实际情况选择合适的增益。以上提出的方法均存在一定不足，不能很好地解决在维持输出电压波动幅度的基础上缩短暂态恢复时间的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种Boost变换器暂态控制策略的设计方法，该方法能够在发生负载跳变的情况下输出电压快速恢复到期望输出电压值，从而改善暂态恢复时间过长的问题。用于实现上述目的的技术方案是：一种Boost变换器暂态控制策略的设计方法，其特征是1)要实现电流滞环控制BoostDC-DC变换器，首先要通过实时采样输入电压、电感电流、输出电流以及输出电压从而得出平均电感电流；2)根据电流滞环稳态控制策略进行仿真，仿真过程包括稳态过程以及暂态过程，根据实时电感电流与电流滞环上下阈值进行比较控制开关管的导通与关断；3)根据电流滞环稳态控制策略下的仿真结果分析负载发生跳变时所出现的问题，并针对负载发生跳变所出现的问题分别提出负载电流突增和突减的暂态控制策略；4)根据判断输出电流是否发生突增还是突减可转换控制策略，若突增启动电流突增暂态控制策略，若突减启动电流突减控制策略，若没有发生突变，则沿用电流滞环稳态控制策略；根据电流滞环稳态控制和暂态控制策略下的暂态恢复时间，对比后可知负载发生跳变的情况下，使用暂态控制策略可明显缩短动态响应时间，并且暂态过程恢复后输出电压基本接近期望电压值；考虑到计算和控制等因素，选择合适的硬件参数便于检测。与已有技术相比，本专利技术的优点是：(1)输出电压波动幅度维持在一定范围；(2)采用暂态控制策略，有效地解决了动态响应时间过长的问题；(3)结构简单容易实现。附图说明图1是本专利技术的电路基本结构图。图2(a)是开关导通拓扑图。图2(b)是开关关断拓扑图。图3(a)是电流滞环稳态控制策略负载电流突增时的电感电流、输出电压波形。图3(b)是加入暂态控制策略负载电流突增时的电感电流、输出电压波形。图4(a)是电流滞环稳态控制策略负载电流突减时的电感电流、输出电压波形。图4(b)是加入暂态控制策略负载电流突减时的电感电流、输出电压波形。图5(a)是使用Simulink进行仿真实验所得到电流滞环稳态控制策略仿真结果图。图5(b)是使用Simulink进行仿真实验所得到暂态控制策略仿真结果图。图6是本专利技术的程序流程图。具体实施方式以下将结合附图和实例对专利技术的内容做进一步说明。如图1所示，其中S为功率开关，D为二极管，L为电感，C为输出电容，RL为负载。vin为输入电压，vo为输出电压，io为输出电流,iL为电感电流。因为MOSFET管开关速度较快，控制逻辑相对简单，所以开关管S一般都采用MOSFET管。CT1和CT2采用小体积CSM001A霍尔传感器用于电流检测。ARM控制器实时采样输入电压vin(t)、电感电流iL(t)、输出电流io(t)、输出电压vo(t)，并根据实时采样值计算平均电感电流值，通过实时电感电流与电流滞环的上下阈值进行比较，然后输出PWM波控制开关管S的导通与关断。根据电感中电流的情况，开关电源的工作模式可以分为连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)。电流滞环BoostDC-DC变换器工作在CCM模式。计算出该变换器的实时负载电阻RL(t)＝vo(t)/io(t)，再实时计算出所需要的平均输出电流Io(t)，即为使输出电压达到期望输出电压值VE应满足其中，I*L(t)是需要平均电感电流的理想值，考虑损耗问题，增加补偿因数k，需额外补充的电感电流ΔIL(t)应满足综上可以计算出需要的实际平均电感电流IL(t)为：设置电流滞环宽度ΔI＝200mA，得到电流滞环上下阈值，通过对实时电感电流iL(t)和电感电流上下阈值作比较，从而来决定开关管S动作，电流滞环稳态控制策略如下：输入电压Vi范围为12±4V直流电压，输出电压Vo为直流24V，输出负载电流范围为0.3A-1A，额定输出电流为1A，输出纹波电压峰值小于25mV，负载分别为RL1＝24Ω，RL2＝80Ω。在其它参数值均不变的条件下，开关频率会随输入电压Vi的升高而不断增加，因此最高开关频率fmax的表达式为：其中Vi,max是最大输入电压，VE为期望输出电压，开关损耗会随着开关频率的升高而增大，因此开关频率不能过大，即fmax<Fmax，开关频率Fmax一般取值范围在40-100kHz之间，则有根据上式可计算出电感的取值范围为L>533μH，取电感L＝600μH。输入电压Vi与输出纹波电压成反比关系，因此最高输出纹波电压ΔVpp,max表达式为:其中Vi,min为最小输入电压，为了使ΔVpp,max<ΔVmax，则有其中μ是保险系数，ΔVmax为输出纹波电压限值，为考虑滤波电容的高频特性和分布参数后选取合适的μ值，一般取值范围为2-4。可计算出电容的取值范围为C>469μF，取电容C＝600μF。分析过程中记IL1为负载较小时的平均电感电流，IL2为负载较大时的平均电感电流，负载取值分别为RL1＝24Ω，RL2＝80Ω。(1)负载电流突增过程：电流滞环策略控制下，为了便于分析，将电路的工作状态分为两个阶段，如图3(a)所示，第一阶段为t0-t1时刻，第二阶段为t1-t5时刻。第一阶段：t0-t1时刻，开关管S导通，输入端给电感充电，电感电流在这个过程中不断增加，电容放电给负载供能，根据图2(a)可列出微分方程计算出输出电压为：根据电感电流可算出第一阶段的工作时间Δt1为:第二阶段:t1-t5时刻，电路通过多个充放电周期进行调整后，使得输出电压恢复到期望输出电压VE，具体分析如下：t1-t2时刻，开关管S关断，电感中储存的能量给电容充电的同时，给负载供能，电感电流不断减小，假设这一阶段初始时刻t1为零时刻，IL(0)为初始时刻电感电流，根据图2(b)可列出微分方程求出这一阶段输出电压表达式为：根据电感电流可算出这一过程的时间Δt2为:t2-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Boost变换器暂态控制策略的设计方法,其特征是包括如下步骤:1)给变量I，j以初值，设置电流滞环宽度ΔI，得到电流滞环上下阈值，其中j代表稳态过程执行的次数，I代表变换器前一时刻的输出电流值；2)ARM控制器实时采样输入电压vin(t)、电感电流iL(t)、输出电流io(t)、输出电压vo(t)，从而计算得出平均电感电流ILt；3)将实时电感电流iL(t)与电流滞环上下阈值进行比较，当j

【技术特征摘要】
1.一种Boost变换器暂态控制策略的设计方法,其特征是包括如下步骤:1)给变量I，j以初值，设置电流滞环宽度ΔI，得到电流滞环上下阈值，其中j代表稳态过程执行的次数，I代表变换器前一时刻的输出电流值；2)ARM控制器实时采样输入电压vin(t)、电感电流iL(t)、输出电流io(t)、输出电压vo(t)，从而计算得出平均电感电流ILt；3)将实时电感电流iL(t)与电流滞环上下阈值进行比较，当j<10时，输出PWM波控制开关管S的导通与关断,返回1)继续执行稳态控制策略；4)判断输出电流io(t)是发生突增还是突减来转换控制策略，若突增启动电流突增暂态控制策略，若突减启动电流突减暂态控制策略，若没有发生突变，则沿用电流滞环稳态控制策略；5)暂态过程控制结束后，将实时采样的输出电流io赋给变量I，同时将循环计数器清零，程序返回到1)，上述过程不断循环。2.如权利要求1所述的Boost变换器暂态控制策略的设计方法,其特征是：步骤4)判断输出电流io(t)是发生突增还是突减来转换控制策略的方法是：当j≧10时，则将变换器前一时刻的输出电流I与后一时刻的输出电流io进行比较，判断负载电流是否发生突增或是突减；当变换器后一时刻的输出电流io...

【专利技术属性】
技术研发人员：程红丽，薛涛，曹昭祺，田伟明，黄静，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61