1、电流型控制单电感双输出开关变换器稳定性与瞬态特性分析 周述晗 周国华 毛桂华 张凯暾 徐顺刚 西南交通大学电气工程学院 摘 要： 提出一种单电感双输出 (SIDO) 开关变换器的电流型控制技术。以工作于连续导电模式 (CCM) 的 SIDO Boost 变换器为例, 详细分析电流型控制 CCM SIDO Boost 变换器的工作原理、工作时序、系统稳定性, 得到变换器稳定工作的条件。建立电流型控制 CCM SIDO Boost 变换器的时域仿真模型, 通过时域仿真分析变换器的稳态性能、瞬态性能、输出支路的交叉影响以及稳定性。研究结果表明:相比于传统的共模-差模电压型控制, 电流型控制 CCM
2、SIDO Boost 变换器可提高变换器的瞬态响应速度并抑制输出支路间的交叉影响;对于变换器存在的不稳定性问题, 可以通过引入适当的斜坡补偿解决。最后通过实验验证了理论分析的正确性。关键词： 单电感双输出; 电流型控制; 斜坡补偿; 交叉影响; 作者简介：周述晗, 女, 1992 年生, 博士研究生, 研究方向为开关变换器拓扑与控制技术。E-mail:作者简介：周国华, 男, 1983 年生, 教授, 博士生导师, 研究方向为开关变换器调制与控制技术、数字控制技术、动力学建模与分析。E-mail:ghzhou-收稿日期：2016-09-14基金：国家自然科学基金 (61371033) Stab
3、ility and Transient Response Analysis of Current-Mode Controlled Single-Inductor Dual-Output ConverterZhou Shuhan Zhou Gouhua Mao Guihua Zhang Kaitun Xu Shungang School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University; Abstract： This paper proposes a current-mode control technique of single-i
4、nductor dual-output (SIDO) switching converter. Taking SIDO Boost converter in continuous conduction mode (CCM) as an example, its working principle, operation sequence and stability are analyzed, and then the steady-state working condition is obtained. By establishing the time-domain simulation of
5、current-mode controlled CCM SIDO Boost converter, the steady-state performance, transient performance, output crossregulation and stability are analyzed respectively. It is found that, compared to the traditional common-mode and difference-mode voltage-mode controlled SIDO Boost converter, current-m
6、ode controlled SIDO Boost converter has improved transient response and reduced output cross-regulation. The instability can be eliminated by using slope compensation. Finally, the validity of the theoretical analysis is proved by hardware experiment.Keyword： Single-inductor dual-output (SIDO) ; cur
7、rent-mode control; slope compensation; cross-regulation; Received： 2016-09-140 引言随着智能移动设备的普及, 开关电源正朝着高可靠、小尺寸、低成本和多输出等方向发展。单电感多输出开关变换器因其只需一个电感, 极大地减少了多路输出系统所需磁心的数量, 降低了成本, 因此备受学术界和工业界的关注1-5。单电感多输出开关变换器各条输出支路共用一个电感, 通过电感将各条输出支路耦合在一起, 当一条输出支路负载变化时, 会通过电感电流影响到其他输出支路的输出, 因而造成交叉影响6。交叉影响较轻时会影响变换器的稳态性能, 严重时
8、会影响变换器的稳定性, 因而其成为研究单电感多输出开关变换器的重要问题之一7,8。为改善单电感多输出开关变换器输出支路存在交叉影响的问题, 近年来提出了一些新颖的控制方法, 以抑制输出支路的交叉影响9,10。传统的基于脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation, PWM) 的电压型控制单电感双输出 (Single Inductor Dual Output, SIDO) 开关变换器技术, 例如, 电压型控制 SIDO 开关变换器11、共模-差模电压型控制 SIDO 开关变换器12等, 只采样输出电压作为反馈变量, 当输入电压或负载变化后, 只有在输出电压改变时才能检测得到并反馈
9、回来进行纠正, 因此响应速度比较慢。此外, 由于电压型控制对输出电流没有限制, 因而需要额外的电路来限制输出电流。文献13提出的电流型控制是目前广泛应用于单路输出开关变换器的控制技术, 包括峰值电流控制、谷值电流控制和平均电流控制等, 电流型控制技术的反馈回路中同时引入了输出电压和电感电流两个状态变量。峰值电流控制技术限制了电感电流的峰值, 实现了变换器的过电流保护, 提高了变换器对输入电压变化的响应速度和输出电压的稳压精度14-17, 但是对负载突变的响应速度没有显著的提高。当占空比 D0.5 时, 峰值电流控制连续导电模式 (Continuous Conduction Mode, CCM)
10、 开关变换器存在次谐波振荡现象。与峰值电流控制类似, 谷值电流控制同时引入输出电压和电感电流作为反馈控制变量, 比电压型控制具有更快的负载瞬态响应速度14。与峰值电流控制的不同之处在于:当占空比 D1 时, 第 n 个工作周期的电感电流扰动量为无穷大, 即在工作过程中, 电感电流的扰动量不断增加, 变换器失去稳定, 无法正常工作。上述分析表明, 电流型控制 CCM SIDO Boost 变换器稳定工作的条件为:补偿斜坡的斜率 mc1、m c2以及电感电流的斜率 m1、m 2和 m3能使不等式-11 恒成立。若未引入斜坡补偿 (即 mc1=mc2=0) , 则式 (7) 可以化简为对于 SIDO
11、 Boost 变换器, 有 m1=Vin/L、m 3= (Vin-Vb) /L, 则式 (8) 可以表示为当变换器的输入电压 Vin和支路 b 的输出电压 Vb使得式 (9) 的参数 满足不等式-11 时, 变换器不需要斜坡补偿就能稳定工作。3 仿真分析与实验验证3.1 瞬态性能与交叉影响分析为了分析电流型控制 CCM SIDO Boost 变换器的瞬态性能和输出支路间的交叉影响, 在 PSIM 仿真软件中分别建立了电流型控制和共模-差模电压型控制的仿真电路, 其电路参数见表 1, 并对以上两种控制方式下变换器的瞬态性能和交叉影响进行对比分析。表 1 CCM SIDO Boost 变换器电路参
12、数 Tab.1 The circuit parameters of CCM SIDO Boost converter 下载原表 把表 1 中的电路参数代入到式 (9) 中, 计算得到参数 =-0.25, 不等式-11 恒成立, 满足电流型控制 CCM SIDO Boost 变换器的稳定性条件, 变换器稳定工作, 不需要斜坡补偿。图 3、图 4 分别为共模-差模电压型控制和电流型控制 CCM SIDO Boost 变换器, 在输出支路负载跳变时的瞬态波形。输出支路 a 的输出电流 ia在 0.51A 变化时, 两种控制方式下的变换器输出电压波形分别如图 3a 和图 3b 所示;输出支路b 的输出
13、电流 ib在 0.51A 变化时, 两种控制方式下的变换器输出电压波形如图4a 和图 4b 所示。从图 3 中可以看出:a 支路负载跳变时, 共模-差模电压型控制 CCM SIDO Boost变换器输出支路 a、b 的输出电压 Va、V b经过约 6.08ms 的调整时间, 重新进入稳态;输出支路 b 的输出电压 Vb在调整过程中的最大电压变化量为 2.97V, 即输出支路 a 对输出支路 b 的交叉影响为 2.97V。而本文提出的电流型控制 CCM SIDO Boost 变换器输出支路 a、b 的输出电压 Va、V b, 分别经过 0.76ms 和1.64ms 的调整过程重新进入稳态。输出支路 a 对输出支路 b 的交叉影响为0.82V, 其调节时间和输出支路 a 对输出支路 b 的交叉影响明显小于共模-差模电压型控制 CCM SIDO Boost 变换器。
