抑制输入扰动的Buck变换器控制方法
BUCK变换器及其控制技术的研究
BUCK 变换器及其控制技术的研究一、实验目的1、理解开环、电压单闭环和电压电流双闭环控制策略的原理，完成系统闭环控制调试；2、建立变换器的模型，通过仿真和实验掌握电压和电流调节器的参数设计方法；3、验证BUCK变换器的输入输出波形特性，PWM波形，及输入输出数量关系，加深对BUCK变换器连续和断续工作模态下的工作原理及特性的理解。
二、实验内容熟悉SG3525的原理及使用方法，理解PWM波产生过程；研究BUCK变换器开环、电压闭环、电压电流双闭环状态下电路各器件，包括功率管、二极管、电感电压电流工作情况，输入输出电量关系，控制电路参数对变换器的性能的影响。
观察电压纹波，观察不同电感、频率和负载对电流连续点的影响。
理解BUCK 变换器闭环控制过程，掌握闭环性能指标。
变换器的基本要求如下：输入电压：20~30V输出电压：15V（输出电压闭环控制时）输出负载电流：0.1~1A工作频率：50kHz输出纹波电压：≤100m V三、实验仪器四、实验原理1)BUCK主电路原理图（图1）图1.BUCK主电路原理图2)控制电路SG3525内部结构框图（）图2.SG3525内部结构框图五、实验步骤1、将BUCK变换器挂箱的所有开关关闭后再接线。
2、控制电路接20V直流电压，调节电位器RW1，用示波器观察并记录占空比为某一定值时SG3525 各管脚波形及驱动电路输出波形。
注意观察SG3525 的9脚、5脚波形和输出波形之间的关系，理解SG3525 芯片PWM 波产生过程。
调节RW2观测PWM波频率的变化，通过测得的PWM波计算PWM波频率。
3、控制电路接20V直流电压，主电路接6-30V可调直流电压，可控制开关S4打在开环状态。
当将开关打在单环时，电路工作在单电压环控制模式下，打在双环时，电路工作在电压电流双环控制模式下。
分别观察三种控制模式下SG3525各管脚波形及驱动电路输出波形。
（一）.开环状态（1）.电感电流连续情况：打开主电路电源，使主电路工作电压为25V，观察电感支路的电流波形，调节负载，使电感工作在电流连续情况下。
BUCK变换器的电流型单周控制方法
R
（15） （16） （16）
dˆ
uˆin
uˆo
iˆL
iˆ o
图 4 BUCK 变换器主电路模型框图 1.4 电流型单周控制控制 BUCK 变换器小信号模型
电流型单周控制 BUCK 变换器的模型框图如图 5 所示，应用“Mason”公式可以得到各开环 传递函数，其中“控制-输出”传递函数为
Gcuo
uin = U in + uˆin iL = I L + iˆL
d = D + dˆ
uc = U c + uˆc
（5）
将式（5）代入式（4），并忽略二阶小信号变量，则可以分别得到式（6）和式（7）所示直
流稳态和交流小信号特性表达式
(KiUin + Ri I L )D = Uc
（6）
( ) ( ) KiUin + Ri I L dˆ + Kiuˆin + RiiˆL D = uˆc
BUCK 变换器的电流型单周控制方法
罗全明，周雒维，卢伟国，杜 雄 （重庆大学电气工程学院，重庆市 400044）
摘要：本文首次提出一类适用于DC/DC变换器的电流型单周控制方法，包括电流+-单周控制（C+-OCC）、电流--单周控制（C--OCC）、
电流-单周控制（C-OCC）。首先介绍了BUCK变换器的电流型单周控制原理，然后利用状态空间平均方法建立了其小信号模型，在此
I
R INT
DR
O
K
Q
R
FF
Q
S
CMP CLK
Kuo
uc
GC
ue
uref
图 2 电流型单周控制 BUCK 变换器
buck型dc-dc变换器中保护电路的设计
buck型dc-dc变换器中保护电路的设计buck型DC-DC变换器广泛用于电源供电系统、电动汽车和太阳能电池等应用中。
在使用过程中，由于输入电压的变化、电流过载、短路等因素可能导致变换器的故障或损坏。
为了保护变换器及其连接的电路，设计有效的保护电路是至关重要的。
首先要保护的是输入端的电路，常见的保护电路包括过压保护和过流保护。
过压保护主要是通过输入电压检测电路来监测输入电压，一旦输入电压超过设定值，保护电路将切断输入电源，以防止变压器和其他电路被损坏。
过流保护则采用电流检测电路来监测输入电流，一旦输入电流超过设定值，保护电路将切断输入电源，防止变压器和电源电路受到额定电流以外的过大电流的损坏。
在输出端，常见的保护电路包括过压保护、过流保护和短路保护。
过压保护通常使用电压检测电路来监测输出电压，一旦输出电压超过设定值，保护电路将切断输出电源，以防止负载和其他电路被损坏。
过流保护同样采用电流检测电路来监测输出电流，一旦输出电流超过设定值，保护电路将切断输出电源，防止负载和电源电路受到过大的电流的损坏。
短路保护是最常见的保护电路，它主要通过短路检测电路来检测输出端是否出现短路。
一旦短路发生，保护电路将切断输出电源，以防止损坏变压器和其他电路。
此外，为了保护变压器的绝缘性能，在变压器的输入和输出端都需要设计绝缘保护电路，通常是使用绝缘变压器或光耦合器来实现。
为了确保电路的稳定工作和提高变换器的效率，还可以设计过温保护电路。
过温保护电路可以通过温度传感器实时监测变换器内部的温度，一旦温度达到设定值，保护电路将切断输入电源，以防止温度过高引起的故障或损坏。
另外，还可以考虑设计过载保护电路和反馈保护电路。
过载保护电路可以检测输出电流是否过大，一旦超过设定值，保护电路将采取控制措施，减小输出电流以避免过载。
反馈保护电路可以通过比较输出电压与参考电压的差异来检测电路的故障，一旦差异超过设定值，保护电路将切断输入电源。
Buck型变换器的输入电压全补偿前馈控制
Buck型变换器的输入电压全补偿前馈控制摘要：为消除由输入电源扰动引起的输出电压工频纹波，改善DC/DC变换器动态性能，根据平均变量建模思想，为电压型PWM控制的Buck型变换器，建立连续导电工作模式(CCM)下统一的平均变量等效电路，分析等效电路并根据不变性原理提出输入电压全补偿前馈控制原理及实现方法。
采用该方法的Buck型变换器可完全补偿输入电压扰动，其输出电压对输入电压扰动具备动态不变性。
仿真研究结果验证了本文前馈控制原理及实现方法的正确性。
叙词：平均变量不变性原理前馈控制全补偿动态不变性Abstract：To improve the dynamic performance of DC/DC converter against input voltage disturbance, and eliminate the low frequency ripple of output voltage, a uniform average equivalent circuit is established for buck series converters under voltage mode PWM control and in continuous conduction mode. According to the invariance principle and the equivalent circuit analysis, fully compensated input voltage feedforward control method and its implementation is presented. The buck series converter using this control method can fully compensate for the input voltage disturbance deviation, and achieve the dynamic invariance of output voltage against the input disturbance. Simulation results verify the correctness of the fully compensated input voltage feedforward control method and its implementation.Keyword：Average variable, Invariance principle, Feedforward control, Full compensation, Dynamic invariance1 前言DC/DC变换器是构建开关电源等许多其他类型电能变换器的核心组成部分。
buck电路谐振峰抑制
buck电路谐振峰抑制Buck电路谐振峰抑制引言：Buck电路是一种常见的降压型直流-直流转换器，广泛应用于各种电子设备中。
然而，由于电路元件的不完美性以及工作环境的影响，Buck电路在实际应用中可能出现谐振现象，导致电路性能下降甚至损坏设备。
为了解决这个问题，设计者通常采取一些方法来抑制Buck电路的谐振峰，保证电路的稳定工作。
一、Buck电路的谐振现象及影响Buck电路工作时，开关管周期性地开关，将输入电压通过电感和二极管转换为输出电压。
然而，由于电感和电容的存在，电路中会产生谐振现象，即输入电压和输出电压之间的振荡。
这种振荡会导致电路效率下降、输出电压波动以及产生电磁干扰。
二、Buck电路谐振峰的原因分析Buck电路谐振峰主要由电感和电容的特性以及电路的参数决定。
电感和电容之间的谐振频率与电路的开关频率有关，当二者相等时，会出现谐振峰。
此外，电路的参数如电感和电容的数值、质量等也会对谐振峰的形成和抑制产生影响。
三、Buck电路谐振峰抑制方法为了抑制Buck电路的谐振峰，设计者可以采取以下几种方法：1.调整开关频率：通过调整开关频率与谐振频率之间的差距来抑制谐振峰。
一般情况下，将开关频率设置在谐振频率的一半左右，可以有效地抑制谐振峰的产生。
2.增加阻尼：在Buck电路中添加合适的阻尼元件，如电阻或阻尼电路，可以提高电路的阻尼比，减小谐振峰的幅度。
阻尼元件可以通过增加电路的损耗来减少谐振峰的能量，从而达到抑制的目的。
3.优化电路布局：合理设计电路的布局可以减小谐振峰的产生。
例如，将输入电源和输出负载之间的电感和电容尽量缩短，减小谐振回路的面积，可以有效地抑制谐振峰。
4.选择合适的电感和电容：电感和电容的数值、质量等也会对谐振峰的形成和抑制产生影响。
因此，在设计Buck电路时，应根据具体的需求选择合适的电感和电容，以达到抑制谐振峰的目的。
5.使用谐振峰抑制电路：在Buck电路中添加专门的谐振峰抑制电路，可以进一步提高谐振峰的抑制效果。
大功率BUCK变换器电压电流尖峰的分析及抑制措施 (1)
Analysis and Restraining Solutions of Voltage and Current Spikesof the High-Power BUCK ConverterY ANG Shi-yan,HAN Ming-wu,KO NG Zhi-guo(H arbin I nstitute o f Technology,H arbin150001,China)Abstract:In high-power B uck converters,the circuit is in high switching mode.Since the distributed stray parame-ters of the lead and non-ideal performance of the devices,very high voltage and/or current spike appear on the switch-es,which reduced the reliability of the circuits.This paper analyzed the reasons of the two kinds of spike produced and their harm and proposed several RCL snubber circuits.The analysis and design methods of each parameter in the circuits are presented accordingly.The results of simulation and prac tical application prove that the snubber circuits have fine sof-t switch effec t and strong restraint function to the spikes.Key words:high-power converter;B UCK converter;voltage spike;current spikeEEACC:1290B;8360大功率BUCK变换器电压电流尖峰的分析及抑制措施杨世彦,韩明武,孔治国(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)摘要:在大功率Buck变换器中电路工作于高频开关状态,由于实际线路的寄生参数和器件的非理想特性的影响,开关器件两端会出现过高的电压和电流尖峰,严重地降低了电路的可靠性。
Buck型变换器的线性化小信号补偿前馈控制
０ 引 言［１－８］
ＤＣ／ＤＣ 变换器是 构 建 开 关 电 源 等 许 多 其 他 类 型 电能变换器的 核 心 组 成 部 分。ＤＣ／ＤＣ 变 换 器 传 统 的 反馈控制是按偏差调 节，这 使 得 变 换 器 反 馈 系 统 必 定 是在扰动已经对输出 电 压 产 生 影 响，甚 至 出 现 偏 差 时 才会产生调节作用。采用电压模式 ＰＷＭ 控制的 ＤＣ／ ＤＣ 变换器输 入 电 压 扰 动 的 动 态 响 应 速 度 较 慢，往 往 无 法 及 时 消 除 输 入 电 压 扰 动 对 输 出 电 压 的 影 响 ，因 此 ， 在 输 入 电 压 波 动 时 ，变 换 器 输 出 电 压 幅 值 波 动 大 ，存 在 较大低频纹波。
变换器拓扑
变换器常数 ｍ
ｎ
Ｄｍａｘ
非隔离型 Ｂｕｃｋ变换器
１
１
１
隔离型
单 单管正激 １ 端 双管正激 １
Ｎ１／Ｎ２ Ｎ１／Ｎ２
Ｎ１／（Ｎ１＋Ｎ３） ０．５
半桥
２
Ｎ１／Ｎ２
０．５
Ｂｕｃｋ 变换器双全桥２来自Ｎ１／Ｎ２０．５
端
推挽
２
Ｎ１／Ｎ２
０．５
如图１，在开 关 周 期 Ｔｓ 这 一 时 间 尺 度 内，变 换 器
摘要：为减小由输入电源扰动引起的输出电 压 工 频 纹 波，改 善 ＤＣ／ＤＣ 变 换 器 动 态 性 能，根 据 平 均 变 量 建 模 思 想，为
buck型dc-dc变换器中保护电路的设计
buck型DC-DC变换器是一种常见的电源转换器，用于将高压直流电源转换为稳定的低压直流电源，广泛应用于电子设备和通信系统中。
在设计buck型DC-DC变换器时，保护电路的设计至关重要，可以有效保护电路和相关元器件，提高整个系统的可靠性和稳定性。
本文将从保护电路的设计入手，对buck型DC-DC变换器进行深入研究和分析。
1. 保护电路的作用保护电路是buck型DC-DC变换器中的重要组成部分，其主要作用是防止过流、过压、过温等异常情况对电路和元器件造成损坏。
通过及时检测异常信号并采取相应的保护措施，可以有效避免电路的故障和损坏，延长系统的使用寿命。
2. 过流保护电路设计过流是buck型DC-DC变换器中常见的故障情况之一，如果电流超过设定的安全范围，将会对电路和元器件造成严重的损害。
在设计过流保护电路时，需要合理选择电流传感器和保护元件，并设置合适的保护触发门槛。
常用的过流保护电路包括电流限制器、熔断器和过流保护芯片等，通过这些器件的合理组合可以实现对电路的有效保护。
3. 过压保护电路设计过压是另一种常见的故障情况，当输入电压超过设定的安全范围时，将对电路和元器件产生严重的影响。
在设计过压保护电路时，需要考虑输入电压的波动范围和保护触发门槛，并选择合适的过压保护器件进行搭配。
常用的过压保护电路包括过压保护芯片、击穿二极管和电容滤波器等，通过这些器件的合理配置可以有效防止过压对电路的损坏。
4. 过温保护电路设计过温是buck型DC-DC变换器中的另一个重要故障情况，当工作温度超过元器件的最大承受温度时，将会导致电路的失效和损坏。
在设计过温保护电路时，需要合理选择温度传感器和保护器件，并设置适当的保护触发温度。
常用的过温保护电路包括温度开关、热敏电阻和温度保护芯片等，通过这些器件的合理配置可以实现对电路的及时保护。
5. 其他保护电路设计除了上述提到的过流、过压和过温保护电路外，buck型DC-DC变换器的保护系统还需要考虑短路保护、输入欠压保护和输出失稳保护等其他故障情况。
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2011年4月电工技术学报Vol.26 No. 4 第26卷第4期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2011抑制输入扰动的Buck变换器控制方法刘青张东来（哈尔滨工业大学深圳研究生院深圳 518055）摘要基于基本电压模式控制方法，提出了一种适于Buck变换器的改进控制方法。
该方法用三角载波对输入电压进行调制作为前馈输入，结合终点预测方法，将RC补偿网络的影响旁路，使得输入扰动和参考变化直接反映到占空比变化上，并对该方法的有效性进行了定量分析。
分析表明，占空比的变化由输入电压扰动和参考电压变化共同决定，输出电压的变化仅取决于参考电压的变化，而与输入电压扰动无关。
通过对闭环增益的分析，得出该方法下系统的稳定性仅取决于主拓扑参数和分压系数而与输入电压无关。
仿真和实验结果表明，改进方法下Buck变换器对输入电压扰动具有本质的抑制能力，参考电压恒定的情况下，输出电压稳定度较好，无暂态过冲现象。
关键词：输入扰动抑制电压前馈幅值调制暂态过冲中图分类号：TP303.3An Improved Control Method of Buck Converter toReject Input-DisturbanceLiu Qing Zhang Donglai（Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School Shenzhen 518055 China）Abstract An improved voltage-mode control method is presented for Buck converter. The input voltage is modulated by triangular carrier, which is taken as the feed-forward input. Combining with the end-point prediction, the influence of RC compensation network is bypassed, which makes the input disturbance and reference variation directly reflect to the variation of duty cycle. The quantitative analysis of the presented method demonstrates that the variation of duty cycle depends on both input disturbance and reference variation, while the output variation is just determined by reference variation.The closed loop gain of the system is provided, which shows that the system stability analysis is independent of input voltage. The simulation and experimental results demonstrate that Buck converter with the presented method can reject the input disturbance naturally. When the reference voltage is constant, the stability of output voltage is better than the other methods and the output voltage has no transient overshoot.Keywords：Input-disturbance rejection, voltage feed forward, amplitude modulation, transient overshoot1引言在通信设备中，射频功率放大器（RFPA）是消耗功率的主要器件[1-3]，包络跟踪技术常用来增加RFPA的功效，但要求提供包络跟踪电压的电源具有高效率、小体积、严格的动静态调节、快速参考跟踪以及低纹波噪声等性能。
这类电源被称作“包络跟踪电源”，是实现性能-功率优化的有效方案[4]。
实际应用中，输入电压总是不可避免地存在一些干扰，例如分布式电源系统中，可能有多个电压调节模块连接在同一条直流母线上，它们的启停会引起母线电压的波动；某些特殊应用中还要求输入电源收稿日期 2009-11-20 改稿日期 2010-04-0294 电工技术学报 2011年4月电压能够根据需求在不同电平之间进行切换[5]。
输入电压的扰动通常会影响电源系统的动、静态性能以及纹波噪声等。
因此，包络跟踪电源还要对输入电压的扰动具有较强的抑制能力。
包络跟踪电源通常依托高效率的开关变换器来实现，一般选用降压型拓扑，同步整流Buck拓扑是基于成本和性能考虑的最优方案，其控制方法很多，可分为电压型和电流型控制两类[6-9]。
电流型控制中，峰值电流方法需要引入斜坡补偿来消除占空比大于0.5时出现的次谐波振荡，且要求补偿斜坡与电感电流下降斜率恰好相等，否则该方法不能在一个开关周期内抑制输入扰动，尤其是在控制参考变化时。
平均电流方法虽然不需要斜坡补偿，但存在放大器带宽、增益配合参数的设计与调试复杂等问题。
在电压型控制中，基本电压模式、V2方法和滞环控制方法都利用输出电压反馈。
当电源电压有扰动时，例如出现了一个大的上升跃变，误差信号不能立即响应该扰动并作出相应变化，占空比也就不会立即变化，因此，输出电压中会出现一个典型的暂态过冲现象。
暂态过程由闭环增益带宽决定，系统重新恢复稳定状态需要经过好几个甚至更多开关周期。
单周期控制[11-12]由于引入了输入电压前馈，固有抑制输入扰动的能力，能够在一个开关周期内消除输入电压变化对输出的影响，而这种控制是开环方式的，输出纹波较大。
鉴于此，本文提出了基于电压模式控制的改进控制方法来抑制输入电压扰动。
文中对该方法下占空比和输出电压的变化进行了定量分析，同时还给出了电源系统的稳定性分析。
借助Saber仿真软件对传统的电压反馈控制方法（如基本电压模式控制）、改进控制方法和单周期控制方法的Buck变换器进行了性能分析，最后给出了实验验证。
2基本电压模式控制方法如图1所示为基本电压模式控制同步Buck变换器。
误差放大器比较参考电压V ref与反馈电压V fb，得到误差电压V ea，再与三角载波V saw比较得到占空比D，从而驱动开关管进行工作以得到期望的输出电压V o。
同步整流管两端的电压在主开关管开通时等于输入电压V in，而其与占空比的乘积决定了一个开关周期内的输出电压。
3抑制输入扰动的方法在基本电压模式控制等利用输出电压反馈的控图1 基本电压模式控制的同步Buck变换器Fig.1 Voltage-mode controlled synchronousBuck converter制方法中，由于RC补偿网络含有积分环节，其延时特性使得误差放大器输出信号不能瞬间响应输入扰动并做出相应的变化。
因此，控制系统就不能预知占空比的具体修正量，而使用前馈技术则可以对占空比进行即时修正。
本文提出用三角载波对输入电压进行调制作为前馈输入电压，将误差信号与该电压进行比较形成占空比，从而就将输入电压的变化引入占空比的形成过程中来。
图2a给出随输入电压变化的三角载波，图2b则给出该方法的原理：当输入电压增大时，载波斜率增大，占空比减少；反之亦然。
从本质上讲，输入电压前馈的加入，旁路了系统中的主要延时（输出反馈及RC补偿网络），对占空比进行即时的修正。
该方法与单周期控制方法一样，都利用了（a）输入电压及三角载波（b）占空比的变化图2 输入扰动抑制方法Fig.2 Input-disturbance rejection method第26卷第4期刘 青等 抑制输入扰动的Buck 变换器控制方法 95电压前馈，但单周期控制需要可复位积分器，对构成积分器的运算放大器要求严格，而且复位开关的频率限制了变换器的开关频率，纹波较大。
4 改进的控制方法结合文献[1]中的终点预测方法，本文提出了基于基本电压模式控制的改进方法，其原理框图如图3所示。
该方法中，三角波的峰值与输入电压值成比例，V sawp =bV in ，从而产生随输入电压变化的占空比，抑制输入电压变化的影响，其中b =R 2/(R 1+R 2)为输出电压采样系数。
在电感电流连续模式（CCM ）下，基于电压模式控制的Buck 变换器稳态工作时的反馈电压与参考电压相等，即V fb =V ref ，且V ref = V fb =bV o ，所以可认为V eal =0。
那么就可以如式（1）和图4定义占空比。
o o ref ref ea1ea in in sawp sawp sawpV bV V V V V D V bV V V V +===≈= （1）图3 改进控制方法的原理框图Fig.3The principle diagram of improved control method图4 占空比的生成Fig.4 The formation of duty cycle为详细说明该方法的工作原理，对输出电压和占空比的变化量进行了定量分析。
4.1 控制参考恒定，输入电压有扰动假设控制参考电压为V ref 恒定不变，输入电压从V in 变为inV ′时，占空比由D 变为D ′，输出电压由V o 变为o V ′，三角波峰值也随输入电压的变化由V sawp =bV in 变为sawpin V bV ′′=。
由于误差响应时间远大 于一个开关周期，因此，可认为V eal 在一个开关周期内恒定不变，这样V ea 也不变，那么占空比的变化量为ea ea ea ea 1sawp sawp inin V V V Vd D D V V bV bV ′=−=−=−′′ ea in ininin ()0V V V bV V ′−=≠′ （2）式（2）表明占空比随输入电压的变化做出了即时反应；且当in inV V ′−＞0时，d 1＞0，即输入电压减小时占空比变大；当in in V V ′−＜0时，d 1＜0，即输入电压增大时占空比变小。
就输出电压而言，其变化量为o1o o inin ea ea ea ea inin in in sawp sawp in inV V V D V DV V V V V V V V V V V bV bV ′′′∆=−=−′′=−=−′′=0 （3） 也就是说，输入电压有扰动而控制参考恒定时，输出电压不变，不会出现暂态电压过冲。