正激式DC-DC同步控制双路输出变换器的研究

张 婷 黄世奇 王祖良

(西京学院信息工程学院,西安710123)

正激式DC-DC同步控制双路输出变换器的研究

张 婷 黄世奇 王祖良

(西京学院信息工程学院,西安710123)

为了改善双路输出正激式DC-DC变换器交叉调整问题,提高电源在输出负载变化应用环境中的输出电压精度和动态性能,设计一种双路同步控制策略,计算并比较两路负载输出功率判定主路与辅路,主路采用闭环PID控制策略,辅路采用改进的滞环电流控制策略,同时调整开关管的占空比。应用提出的控制策略,在MATLAB/Simulink中模拟变换器的工作过程并制作样机,仿真和实验结果均表明,输出负载变化时主辅路均具有较高的输出电压精度,改善了交叉调整率,验证了控制策略的可行性。

双路输出 正激变换器 主辅路同步控制 交叉调整

1 引 言

单路输出有源箝位正激变换器,通过升降压集成的有源箝位电路,实现初级电压升压和输出电压升降压集成功能,提高了输入电压范围,减小了变压器原边线圈输入电流[1]。以UC1844为核心,利用PC817和TL431构成反馈网络的单路输出正激电源系统,具有输出电压稳定、纹

波小、负载调整率高、动态响应快的特点[2],单路输出正激变换器可以满足单路电源供电设备的需求。然而,实际应用中很多设备需要多路辅助电源,若每路辅助电源采用单独的变换器和高压隔离变压器,势必造成供电系统体积庞大,使得辅助电源设计复杂化,从而降低设备可靠性。因此,设计多路输出变换器拓扑代替多个单路输出变换器拓扑,解决因多个独立DC/DC变换器组合产生的干扰,简化电路设计、缩小供电设备体积、降低成本,提高电源可靠性指标,具有实际应用价值。

多路输出开关电源存在交叉调整问题,对于输出精度要求较高的应用场合,不能保证辅路的输出电压精度。多路输出正激变换器往往仅对主路输出采用闭环反馈以稳定其输出电压,而辅路输出采用开环控制系统。在主路输出负载或辅路输出负载变化时,会引起辅路电压产生较大范围的波动。文献[3]采用优化变压器设计的方法,在不增加元器件的基础上,通过变压器的耦合来实现对辅路输出回路的调整,但由于变压器的漏感始终存在,所以对交叉调整率的改善效果有限;文献[4]通过合理设计反馈系数和变压器匝数比,实现几路稳压精度较好的输出电压,但采样电压是相互独立的各路输出电压的加权和,这种方法只是将整体误差在各输出上重新进行了分配,并没有真正消除误差。文献[5]采用主辅路同步控制策略,交叉调整率得到了改善,但辅路控制采用滞环电压控制策略,

控制精度不是很理想。为了解决上述问题,论文研究一种主辅路同步控制双路输出正激式变换器,通过ARM处理器智能判断主辅路,主路采用PID控制策略,辅路采用改进的滞环电流控制策略[6],提高多路输出正激电源在输出负载变化应用环境中的输出电压精度和动态性能,改善交叉调整率。

2 双路输出正激变换器基本原理

2.1 双路输出正激变换器结构及分析

双路输出正激变换器由主电路正激变换器、采样电路和变压器原边的控制电路构成,其结构如图1所示。

图1中,多路输出正激变换器仅对主路输出采用闭环反馈以实现其输出电压稳定,而辅路输出则开环。在主路输出负载或辅路输出负载变化时,会引起辅路电压大范围波动,这就是交叉调整率问题。主要影响因素为变压器副边绕组后边整流二极管的导通压降UD和变换器额定输出功率Po的分配问题。

2.1.1 导通压降UD分析

实际,二极管的模型用通常用折线来近似,其两端电压为:

式中:rdf——二极管导通后的等效导通电阻;Uth——导通电压;ID——流过二极管的电流。

根据正激变换器原理,可得两路输出电压为:

式中:n1,n2——原边绕组与第一次级绕组的匝比和原边绕组与第二次级绕组的匝比;Uin——原边的直流输入电压;D——占空比。

由式(1)、(2)可知,当负载电流Io1增大,第一路整流二极管压降UD1增大,则输出电压Uo1有减小的趋势,此时调节占空比D使之增大,稳定输出电压Uo1。由于第一路输出与第二路输出是同一个占空比D,在第二路输出负载没有变化时其输出电压Uo2升高。同理,第一路输出负载电流Io1减小时,第二路输出电压Uo2下降。由此可知,整流二极管导通压降UD是产生交叉调整率的主要原因。

2.1.2 额定功率分配分析

正激变压器实现电压、电流的变换及功率的传递,双路输出正激电源的两路输出额定功率为

式中:Po1——第一路输出的额定功率;Po2——第二路输出的额定功率;RL1,RL2——对应的负载阻抗;Po1,Po2——虽然由自身负载决定,但其存在着正比例关系。

若反馈控制第一路输出时,第二路的额定输出功率跟随第一路的额定输出功率成正比例关系变化。因此,当第一路负载电流Io1增大时,第一路的额定输出功率Po1增大,第二路的额定输出功率Po2会随之增大,但第二路的负载阻抗RL2没有发生变化。因此,第二路的输出电压Uo2升高。同理,当第一路负载电流Io1减小时,第二路输出电压Uo2下降。由此可知,正激变压器的额定输出功率的分配也是产生双路输出正激电源的交叉调整率的主要原因[6]。

从上面的分析可以看出,改进前双路输出正激变换器存在第一路和第二路控制电路一致的问题。当其中一路负载变化时,另一路输出电压将增大或减少,导致其输出电压精度不理想,存在交叉调整率问题。

2.2 主辅路同步控制正激变换器结构

根据研究现状和产生交叉调整问题的原因,提出主辅路同步控制双路输出正激变换器,其电路结构如图2所示。

图2,主辅路同步控制双路输出正激变换器用开关管S1和S2代替图1中整流二极管D2和D3。通过采样隔离模块实时采样两路负载的输出电压Uo1(t),Uo2(t)和输出电流io1(t),io2(t),数字控制器计算出对应的输出功率Po1(t),Po2(t),计算方法将在第3部分说明,并对输出功率进行比较,根据相应的控制策略,ARM处理器和隔离驱动分别控制变压器原边开关管Q和副边开关管S1和S2。

3 主辅路同步控制策略

主辅路同步控制策略由三部分组成,主路和辅路的判定方法、主路控制策略及辅路控制策略。具体的控制流程图如图3所示。

3.1 主路和辅路判定方法

实时采样两路输出的电压和负载电流,第一路和第二路分别为Uo1(t),io1(t),Uo2(t),io2(t),对应的额定输出电压为UE和UE2;根据式(4)计算实时负载阻抗值RL1和RL2,分别为

在此基础上,根据(3)式计算两路输出功率Po1和Po2。通过对输出功率Po1和Po2作比较来确定主路和辅路。规定:Po1≥A×Po2,则第一路输出为主路,第二路输出为辅路;Po1＜A×Po2,则第二路输出为主路,第一路输出为辅路。其中,A对控制策略起着关键作用,根据大量实验数据基于插值方法拟合曲线获得A值。因此,通过对两路输出电压和电流的采样,ARM处理器计算出输出功率值并作比较,可智能判定出主路和辅路。

3.2 主路控制策略

式中:Kp——比例系数;Ti——积分时间常数; Td——微分时间常数。

PID反馈控制有位置式PID控制算法和增量式PID算法。位置式PID控制算法每次的输出均与过去的状态有关,计算时要对每次输入误差eK进行累加,工作量大,并且处理器输出的采样值uK是采样的实际位置,若处理器出现问题,输出的uK将会发生很大的变化,有可能会造成较为严重的事故及损失,在实际生产中不能被采纳。增量式PID是指计算机的输出只是被控制量的增量ΔuK。当被控对象需要的控制量是其增量,却不是位置量的绝对数值时,便可使用增量式PID控制算法来控制。因此,主路控制采用增量式控制算法。增量式PID控制算法为:

其中:

由式(6)可以看出,若采样周期T为恒定值,用经验法确定系数A,B,C,使用前后三次测量的偏差值就可以由式(6)求出控制量。

3.3 辅路控制策略

辅路采用滞环电流控制策略,根据实时负载电阻和期望输出额定电压,实时计算出所需要的平均输出电流。设置滞环宽度ΔI,采用滞环电流控制策略:

当负载输出电流化时,采用改进后的滞环电路控制策略,负载电流变小,则输出电流出现最小值,即滞环电流下限阈值,控制策略如式(8)所示。

如果负载输出电流变大,则输出电流出现最大值,即滞环电流上限阈值,控制策略如式(9)所示:

采用滞环电流控制策略,正激变换器在负载电流保持不变和辅路负载电流变化时,均具有较高的输出电压精度,从而改善交叉调整率。

4 实验结果

4.1 仿真实验结果

在MATLAB/Simulink对主辅路同步控制双路输出正激变换器进行仿真,仿真参数为:输入直流电压为(24～48)V,两路额定输出分别为5V/3A和15V/1A,开关频率为50kHz,系数A根据大量实验数据最终取值为0.8,在输入电压保持不变时,调整输出负载电流,获取实验数据见表1和表2。

表1 5V/3A为主路负载变化时实验数据

表2 15V/1A为主路负载变化时实验数据

表1中,输出5V/3A为主路,15V/1A为辅路,当辅路负载电流io2=1A保持不变,主路负载电流io1从3A变换到0.35A时,和主路负载电流io1=3A保持不变,辅路负载电流io2从1A变换到0.4A时,Uo1和Uo2具有较高的输出电压精度。

表2中,输出15V/1A为主路,5V/3A为辅路,当辅路负载电流io2=3A保持不变,主路负载电流io1从1A变换到0.1A时,和主路负载电流io1=1A保持不变,主路负载电流io2从3A变换到0.35A时,Uo1和Uo2具有较高的输出电压精度。可以看出,负载电流变换时,主辅路具有较好的动态性能。获得仿真实验波形如图5所示。

从图5(a)可以看出,当额定输出5V/3A为主路,额定输出15V/1A辅路时,Uo1=4.976,Uo2= 15.00,此时,辅路负载电流io2=1A保持不变,主路负载电流io1由3A变为0.35A,满足Po1＜0.8×Po2,主辅路互换,Uo1=5.012,Uo2=14.960,两路输出电压精度约为0.2%。

从图5(b)可以看出,当额定输出15V/1A为主路,额定输出 5V/3A辅路时,Uo1=15.01,Uo2= 5.006,此时,辅路负载电流io2=3A保持不变,主路负载电流io1由1A变为0.1A时,满足Po1＜0.8×Po2,主辅路互换,Uo1=15.00,Uo2=5.004。两路输出电压精度约为0.4%。

从仿真实验可以看出,负载电流变换时主辅路均具有较高的输出电压精度,证明了主辅路同步控制策略具有智能判定主辅路和同步控制开关的功能,验证了理论设计的正确性。

4.2 实验测试结果

以STM32F4处理器为控制平台制作了同步控制双路输出正激变换器电路,参数和仿真参数保持一致,获得实验波形如图6所示。

从图6可以看出,当输出5V/3A为主路,15V/ 1A为辅路时,输出电压分别约为4.97V和14.98V;当输出15V/1A为主路,5V/3A为辅路时,输出电压分别约为14.98V和4.97V,两路输出电压精度约为0.3%。可以看出,主辅路互换后两路均具有较好的输出电压精度,和仿真结果几乎一致,验证了理论设计的正确性。

5 结束语

在Matlab/Simulink软件中模拟同步控制双路输出正激变换器的工作过程,并基于STM32F4处理器制作了硬件电路,仿真和实验结果均表明,在主路或辅路负载变化时,主辅路均具有较高的输出电压精度,验证了理论设计的正确性。

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Research on Forward DC-DC Converter Controlled by Synchronous Control Technology

ZHANG Ting Huang Shi-qi WANG Zu-liang
(Department of Information Engineering,Xijing University,Xi’an 710123,China)

In order to improve the cross regulation of dual-output DC-DC forward converter,and enhance the output voltage accuracy and dynamic performance of the power supply in the application environment that the output loads will change,a main and auxiliary synchronous control strategy is proposed.Calculate out the two output powers and make a comparison between them,and then on the basis of rules set in advance to determine which the main circuit is,and also the other is the auxiliary circuit corresponding.The main circuit adopts closed-loop PID control,and auxiliary circuit uses the improved hysteresis current control strategy,both of them adjust the duty cycle of the switch tube simultaneously.Make a simulation on the work process of the forward converter adopting the proposed strategy in MATLAB/Simulink and complete the hardware circuit,the simulation and experimental results show that both the main and auxiliary circuits have high output voltage precision when one load changes.It improves the cross regulation problem,and also verifies the design is feasible.

Dual-output Forward converter Main and auxiliary synchronous Cross regulation

1000-7202(2017)01-0029-06

TM46

A

2016-11-29,

2017-02-21

张婷(1988-),女,讲师,硕士,主要研究方向:DC-DC变换器、物联网技术。