基于dc-dc开关变换器的自适应控制方法研究

徐小琪

（安徽涉外经济职业学院 安徽·合肥 230011）

dc-dc开关电源的很多性能参数都和开关频率、负载等因素相关，是在持续变化之中的。设计dc-dc自适应控制系统，让控制参数可以随着外界环境和使用需求来自适应调整，让系统在不同条件下均可以具有稳定的性能，成为dc-dc开关变换器优化的方向。

1 自适应数字变换器方案

以Buck变换器为例来分析dc-dc开关变换器的数字控制方式，研究数字控制方法，提高系统性能，减小控制产生的误差，分析数字控制系统的频域相应，进一步对数字控制dc-dc开关变换器进行自适应控制方法的研究。图1为dc-dc开关变换器模型。

图1：dc-dc开关变换器模型

图中虚线框部分是电路的数字控制模块，其基本原理在于，对输出电压进行采样，与输出电压相比较，得到误差电压Ve，ADC模数转换器可以将误差电压转换为图中的数字信号Ve[n]，通过PID/PD/PI进行补偿，结合自适应控制算法，得到数字控制信号，产生脉冲信号，通过DAC数模转换器把数字信号与模拟信号进行转换，驱动开关元器件，控制其通断。如果负载发生变化，输出低电压Vout会随着负载变化而变化，网络函数的部分参数则会跟随Vout的变化而变化，系统运用自适应控制技术补偿系统相位和增益，让系统瞬态迅速稳定。

2 基于dc-dc开关变换器的自适应控制等效模型

dc-dc数字开关变换器的传递函数模型如图2所示。

图2：dc-dc数字开关变换器的传递函数模型

根据传递函数模型所示，Vout是电路输出电压，Vref为电路参考电压，H（z）是系统反馈的传递函数，Ge（z）为补偿系统传递函数，Ap（z）标识的是增加采样保持后的功率传递函数。Dc-dc数字控制开关变换器的输出电压取模拟量，经过取样之后，与A/D转换器把模拟量转换为数字量。误差电压经补偿环节后呈现的控制信号直接是数字量。主电路参数 Vin取12-15V之间，电感L取35uH,输出电容1450uf，电容串联获得的阻抗R为50m，输出电阻R为1，参考电压1.5V，开关频率取100kHz，输出电压5V，输出电流5A，波纹不能大于45mV。数字控制电路中采样系数取0.28，转换器分辨率可调，调整为8位，分辨率调整为10位。则dc-dc开关变换器的功率传递函数如下：

3 基于dc-dc开关变换器的自适应控制方法参数调整

3.1 补偿器设计

通常情况下，补偿网络在开关变换器的控制回路中可以起到以下作用：首先是信号放大作用，将采样电压和参考电压相比较，获得误差信号反向方法，提供控制信号，也就是输出电压高于标准电压时，补偿网络就会减小控制信号，如果输出电压低于标准电压，补偿网络就会增大控制信号。其次，对系统进行合理的相位与幅度补偿，让系统具备更高的相位和幅度的变换裕度，确保系统的瞬态稳定。计算机技术推动了开关变换器的数字控制技术的研究，控制领域从模拟控制进入数字控制阶段。使用计算机组成控制系统，设定逻辑功能，编写代码来模拟电路中的高功率、电阻、电容等参数，通过软件进行控制，系统非常便捷，实时性较强。数字补偿网络也可以运用编码方式解决。数字控制是将系统偏差、微分和计分运用线性组合构建控制器的控制量系统，对开关的参数与通断进行控制，从而控制输出。在这样的数字控制电路中，物理意义非常明确，便于程序化调节。比例调节的相应速度很快，系统出现扰动误差，则能够迅速调节。但是要根据系统情况选择比例调节的程度，比例调节过大也会导致系统出现过大的瞬态变化。积分调节可以消除系统静差中出现的误差，系统稳定性更好。如果自动控制器出现了积分环节，调节比例不易控制，动态响应不足。在此时加入微分环节，提高系统调节精度，减小调节时间间隔，让系统性能更加稳定。

3.2 参数调节

每个控制周期开始时，设定电压变化整定值。dc-dc开关变换器会对实际的输出电压与参考电压加以对比，计算误差信号Ve，经过ADC，把模拟信号Ve转化为数字信号Verror（n）；该信号的绝对值与电压的绝对值进行比较，如果数字信号绝对值大于电压绝对值，则执行下个步骤，如果数字信号绝对值小于电压绝对值，则整定系统参数，当前的周期误差和前一个周期误差相等，也就是Verror(n)=Verror(n-1),不再计算误差信号的波动，重复循环各个步骤。这个算法，需要整定值与系统电压进行预先设定，其他电压则是被动状态，需要进行自适应监测。应该注意的是，整定值在稳态状态下并不稳定，不能用来代替常规的整定值，整定值只能在瞬态情况下使用。

3.3 系统仿真验证

在软件平台上搭建一个dc-dc开关变换器的数字电压控制开关变换器仿真模型。模型包含控制电路，主动率线路采用的电路模型让控制过程更加直观具体，也提高了仿真结果的精确性。外围电路包含了ADC、补偿模块和采样电路模块。ADC模块，包含延迟模块，0阶保持器，数字量化模块，系统限幅模块，增益部分。延迟模块可以将模拟电路以为元器件过多过于老化等问题导致的延时情况也模拟出来，0阶保持器可以在不同时刻将采样值保持到下一个时刻，能够确保周期内有一个稳定的值，直至下个周期到来，值才会变化。量化模块将采样模拟量转化为数字量，ADC将电压信号转化为数字电压信号，并且为下一阶段的控制提供输入信号。主电路参数输入到仿真电路中，使用自适应控制法之后，系统的瞬态反应时间比普通的控制方法减少了0.1ms，上冲电压减少了200mV，输出定压的纹波更加稳定，表明自适应控制能够减小输出电压的波动幅度，确保系统的瞬态性能和稳定性。

dc-dc开关变换器中，开关频率改变也会引起系统效率和功耗的改变，但是并不影响系统整体性能。开关变换器的频率提高，则系统传输损耗会增大。为了避免出现较大损耗，提高传输效率，提出一种在开关变换器发生频率变化时采用动态自适应算法来进行数字控制的方法，优化电路控制方法，减少电磁干扰对系统电路数字控制带来的压力。随着开关变换器频率增加，输出电压与输出的电流波形更加平滑，瞬态变化发生时，输出电压过冲比传统方式降低了190mV,但是瞬态响应时间几乎一致，说明开关变换器频率变化对系统的瞬态性能无影响。

4 结语

本文对dc-dc开关变换器的自适应控制技术展开分析，介绍了自适应控制的电路补偿器设计方案，对自适应控制的算法流程进行阐述，运用自适应控制算法对开关变换器，适当的负载出现跳变情况时，可以通过调整参数来维持输出的稳定。自适应控制是准确可靠的，该系统算法能够确保系统稳定，也提高了系统整体性能。