准固定频率滞环PWM电流模式控制方法的研究

西安交通大学电气工程学院杨旭王兆安(西安710049)

摘要:本文针对现有PWM电流模式控制方法的固定开关频率与控制快速性之间的矛盾,提出了一种准固定频率滞环PWM电流模式控制方法,这种控制方法在适当放宽对开关频率的严格要求的条件下,使电流控制的快速性大大提高,同时保持很好的稳定性.本文对新的控制方法的基本原理进行了分析,并通过实验证实了其良好的快速性和稳定性。

关键词:电流模式控制滞环

Research on Quasi－ Constant Frequency Hysteresis PWM Current Mode Control

Abstract: A new hysteresis PWM current mode control method is presented in the paper to eliminate the conflict between the requirement of constant switching frequency and rapid control of the exisTIng current mode control. By properly loosing the restricTIon of constant switching frequency, the dynamic performance of current mode control is greatly improved, while system sTIll keeping good stability. The principle of the new method is analyzed, and experiments have been done to prove the good dynamic performance and stability of the new control method.

Keywords: Current mode control Hysteresis

1引言

随着对开关电源稳态和动态特性的要求日益提高,开关电源中的PWM控制方法也经历了长足的发展。早期的开关电源仅采用单一的输出电压闭环反馈控制,可以基本满足稳定性和电压控制精度的要求,但动态特性通常都不高。七十年代末期开始出现了电流模式控制方式(CurrentModeControl)[1－3]，其基本思想是在输出电压闭环控制系统中，增加了直接或间接的电流反馈控制，如图1。

电流模式控制的引入给开关电源的控制性能带来一次革命性的飞跃。总的来说，采用电流模式控制方式的系统有以下几个优点：

（1）系统的稳定性增强，稳定域扩大。

（2）系统动态特性改善。

这一点主要体现在对输入电压的扰动的抗扰能力的提高。输入直流电压中通常包含交流输入电压整流后的纹波，采用单独的电压环控制时，由于电压环的响应速度慢，低频的纹波很难消除，致使输出电压中包含输入电压低频纹波成分。而采用电流控制后，输出电压中由输入电压引入的低频纹波被完全消除。

（3）具有快速限制电流的能力。

由于有了电流控制，很容易对电路中的电流进行快速限幅，从而有效地降低了开关器件、变压器、电感等元器件受到的电流冲击，这对很容易因过流而损坏的高频开关器件十分有益。事实上，采用电流控制后，电源中可以不必再设置输出短路保护电路，当输出端发生短路时，电流控制电路使电源输出电压下降，自动限制输出电流值，电源不会损坏。

到目前为止，共出现了三种电流模式控制方法[2]：峰值电流模式控制（PeakCurrentModeControl）、平均电流模式控制（AverageCurrentModeControl）、电荷模式控制（ChargeModeControl）。这三种电流模式

(a)电压模式控制系统

(b)电流模式控制系统
图1电压模式和电流模式控制系统的比较

准固定频率滞环PWM电流模式控制方法的研究

图3滞环PWM电流控制系统相轨迹

图4电感L两端电压uL和电流iL的波形

控制方法都属于固定频率PWM控制，而固定的开关频率同电流控制的快速性间存在矛盾，使得电流控制系统中出现分频振荡现象。

针对这一问题，本文提出了一种新的准固定频率滞环PWM电流控制，这种控制方式在适当放宽对开关频率的限制的条件下，可以大大提高电流控制的快速性，同时保持很好的稳定性。本文定性地分析了其稳定性和动态特性，并通过实验证实了这种控制方式的有效性和优越的动态性能。

2准固定频率滞环PWM电流控制方法

2．1问题的提出

在实际应用中对系统动态特性的要求不断提高，当电流调节器的设计使得电流环的截止频率较高，接近电路的开关频率时，开关环节的非线性带来的影响就会变得较为明显，这时最主要的问题就是在电路中出现分频振荡现象。不同电流模式控制方法虽然产生分频振荡的机理各不相同，但其根本原因是相同的，即对电流的快速控制同严格固定的开关频率间的矛盾。

在实际应用中，希望开关频率是固定的，这主要出于以下几个方面的考虑：

(1)开关频率固定有利于滤波电路的设计。当开关频率在一定范围变化时，滤波器需要按照频率下限设计，从而造成一定的浪费。

(2)开关频率固定有利于限制电路中的开关损耗。由于开关损耗同开关频率成正比，因此当开关频率升高时开关损耗也随之直线上升，假如电路工作时开关频率升得很高，有可能造成电路过热损坏。

(3)有利于降低电路发出的噪音。如果电路工作时开关频率下降到人耳的听觉范围内（15～20kHz），电路中的磁性元件发出的噪音会十分刺耳。

(4)电路中的变压器的设计依赖于固定的开关频率。假如电路在工作中开关频率降低很多，有可能引起变压器铁心饱和。

然而这些考虑都并不需要开关频率严格固定，只需要将开关频率限定在一定的范围内，或平均开关频率基本固定就可以了。因此，可以通过适当放宽对开关频率的限制来达到提高电流控制快速性的目的。

根据这一思路，本文提出一种准固定频率滞环PWM电流控制方法。这种方法在滞环PWM控制的基础上，加入开关频率控制环，使得电路的平均开关频率固定，而每个开关周期并不严格相等。这样就在适当放宽固定开关频率的前提下，使控制的快速性得以大幅度提高。

2．2滞环PWM电流控制的分析

　　滞环PWM电流控制是一种较为传统PWM电流控制方法[4]，具有稳定性好，响应速度快，误差可控等优点。其系统结构如图2，系统相轨迹如图3。

图2 滞环PWM电流控制系统结构

图3 滞环PWM电流控制系统相轨迹

从相轨迹可以看出，相平面上存在一个稳定的极限环，不论系统初始状态如何，经过一次开关转换过程，相轨迹都会收敛于极限环，因此，滞环PWM控制具有非常好的稳定性和快速性。

滞环PWM控制系统的开关周期同滞环宽度直接相关，并同系统主电路参数L、C、R及输入、输出电压密切相关，为了得到开关周期同这些量间的解析关系，需要对实际系统进行简化，并作出合理化假设。

在实际系统中，滤波电容C的值往往都比较大，以保证较小的输出电压纹波，因此可以假设其两端电压uo在一个开关周期内是不变的，同时也可以假定输入电压的值在一个开关周期内是不变的，这样电感L的电流iL的波形就只由输入、输出电压和导通、关断时间决定。

设开关导通时电感L两端电压uL=U＋,而开关关断时电感L两端电压uL=－U－，对于降压型电路，U＋=Uin－Uo,U－=Uo。根据图4的波形可以计算出开关周期Ts：

图4 电感L两端电压UL和电流iL的波形

Ts=△iLL(1/U＋＋1/U－)(1)

其中L是常量，U＋、U－是变量，△iL是滞环宽度。当△iL不变时，Ts随着U＋、U－的变化而改变。

2．3准固定频率滞环PWM控制方法

　　根据式（1），在电路参数不变的条件下，开关频率是同滞环宽度△iL相关的，因此，只要引入频率负反馈，动态地调整滞环比较器的滞环宽度，就可以调节开关频率，将开关频率限制在一定的范围内。

准固定频率滞环PWM控制系统的结构如图5。

图5准固定频率滞环控制系统结构

其中FM为测频电路，可以采用模拟或数字电路构成。FR为频率调节器，一般可采用PI调节器。

为了能调频，必须采用环宽可调的滞环比较电路，可以有两种实现方法：

（1）将误差信号e与环宽给定信号h＊相乘，再进行比较，h＊越大，等效环宽越小，开关频率越高。

（2）直接通过改变滞环比较器的输出限幅值来改变环宽，h＊越大，环宽越大，开关频率越低。

图6采用乘法器的可变环宽比较器

图7可变输出限幅的可变环宽比较器

       

由于这两种方法中h＊对开关频率的控制作用方向相反，因此需要相应改变频率调节器的极性。

为了不影响电流环的稳定性和动态特性，频率环的调节速度应比较慢。这样，增加了频率控制环后的系统的稳定性和快速性同传统的滞环PWM控制系统基本上是一样的。

3准固定频率滞环PWM控制方法的实验研究

为了证实准固定频率滞环PWM控制方法的可行性以及其快速性，进行了多种实验。实验电路采用调整比较器输出限幅的办法来调节频率，测频电路采用单稳态触发器，频率调节器采用比例—积分调节器。PWM开关频率设定值约为70kHz.。

图8和图9为给定信号是大幅度变化的方波时，电感电流跟随变化的情况。图8中给定为10kHz方波，图9中给定为1kHz方波，幅值都是0～2A。

图10中给定为正弦波，频率1kHz，幅度约为1～3A。

1－电流给定，1A/格；2－电感电流，1A/格；时间，50μs/格
图8给定10kHz方波时的电感电流

1－电流给定，1A/格；2－电感电流，1A/格；时间，100μs/格
图9给定1kHz方波时的电感电流

1－电流给定，1A/格；2－电感电流，1A/格；时间，250μs/格
图10给定1kHz正弦波时的电感电流

可以看出，采用准固定频率滞环PWM控制方法的电流控制系统的跟随特性非常好，跟踪速度很快。

而且，跟随阶跃给定时，电流并没有出现振荡现象，这说明系统的稳定性也是很好的。

图11为图9的局部放大，从中可以看出开关频率是在变化的。

1－电流给定，1A/格；2－电感电流，1A/格；时间，25μs/格
图11给定1kHz方波时的电感电流放大图

4结论

　　本文针对现有的固定频率电流模式控制方法的控制快速性与固定开关频率的矛盾，提出了一种新的准固定频率滞环PWM电流控制方法，它通过适当放宽对开关频率的严格要求，达到明显提高控制快速性的目的。本文通过实验证明，这种控制方式具有很高的快速性，同时保持了良好的稳定性，适合于对控制速度要求很高的场合。