DC/DC开关电源控制方法小信号模型比较探析

袁志敏 方杰

摘   要：目前，开关电源最为常用的控制方法有两种，分别为电压型控制方法和电流型控制方法，前者響应速度较慢，后者相对稳定。因此，文章针对DC/DC开关电源控制方法小信号模型比较进行分析，对比分析了常见的控制方法后，设计出了通用模型，以达到最为理想的控制性能。

关键词：DC/DC开关电源;控制方法;小信号模型;直流变换器

根据过往经验，不同的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）开关电源控制方法所反馈的信号存在一定的差别，控制性能也各不相同。从目前研究讨论的结果来看，常见的4种控制方法小信号模型表示方法各不相同，通过传统的分析方式无法详细比较控制性能，因此需要再建立一个通用模型，更好地进行分析比较。

1    控制方法的比较分析

从DC/DC开关电源的控制方法来看，常见的有4种，分别为电压型、电流型、电压—电压（Voltage-Voltage，V2）控制、电压—电压—电流（Voltage-Voltage-Current，V2C）控制。其中，前两个是目前应用最为广泛的控制方式。电压型采用的是输出电压单环反馈，响应速度相对较慢;电流型的反馈控制量带输出电压和电感电流两个变量，相比于前者而言，让输出过流得到保护。而V2控制、V2C控制在实际应用过程中，前者和电流型控制方式相同，不仅做到瞬态响应，还能够优化DC控制精度，提高负载动态响应速度。而后者在V2控制的基础上，加入了电感电流反馈。综合V2控制和电流型控制方法，响应速度得到进一步提高，并且提升了自身的抗干扰能力。但实际上，上述比较并不能够真实地反应出实际效果，还需要借助小信号模型对V2控制、V2C控制等方式的特点进行综合性研究分析。从前期分析结果来看，V2控制、V2C控制比电压型、电流型控制方式更加优秀，而且其抗干扰能力更强[1]。

2    通用模型的建立研究

通过上述对电压型、电流型、V2控制、V2C控制4种方法进行简单分析后，对不同控制方法的优缺点有了简单的了解，但是要想对其中的控制性能进行深层次的比较分析，还需要建立起通用的小信号模型。根据研究结果，在4种控制方法中，无延迟监测反馈回来的数据显示，模型中只有输入电压、输出电压、电感电流这3种变量，因此，用小信号模型可以科学地判断控制情况。首先，要结合电压型、电流型、V2控制、V2C控制的控制方法原理来确定参数数值。其次，根据每种控制方法的参数数值，结合Buck变换器设计出小信号通用模型框图。最后，根据DC/DC变换器小信号建模来进一步研究稳定性和瞬态响应。这种模型可以针对一个周期内开关管导通和关断两种状态，建立平均状态方程，还能够设计仿真控制环路幅频特性和相频特性。作为分析电路的基本方法，在实际应用过程中，小信号模型分析可以更好地找出电路中的特殊部分，尤其是在较为复杂的电路中，利用这一模型进行分析，能够得到具体可行的电路交流指标，结合指标数据就能够找出最符合当前要求的通用模型数据，为后续的比较分析奠定基础[2]。

3    控制方法的函数分析

基于上述所得到的DC/DC开关电源控制方法小信号模型，展开具体的比较分析，找出最优的控制方式。从模型比较情况来看，在4种控制方式中，电压型控制方法对输入电压和负载突变的响应速度都很慢，其本身就只有一个输出电压反馈环，任何变量都没有延迟的反馈控制，因此，只有唯一的反馈环路具有积分环节。反观电流型控制方法，在引入了两个变量后，实现了无延迟负反馈，尤其是在输入电压加入后，无延迟前馈直接让响应速度加快，但是从模型中的数据情况来看，虽然响应速度得到优化改善，但是负载扰动的响应特性并没有发生变化。相比于电压型和电流型这两种控制方式而言，V2控制、V2C控制是建立在电流型控制方式基础上的，尤其是V2C控制综合了前三者的优点，让负载扰动的响应特性得到了真正的发展。从V2控制来看，同样是引入了两个变量，响应速度也得到了提高，同时结合本身的特点，负载扰动的响应特性也得到了真正的发展。但是，因为控制电流失去了对电感电流的控制，所以无法实现过流保护。相比较而言，V2C控制有效解决了上述几种控制方式中存在的问题，利用独立参数，提高参数自由度，不仅控制效果良好，响应速度也相对较快，符合DC/DC开关电源控制的实际需求。

根据模型比较结果，在4种控制方法中，V2C控制效果最优。在此基础上，还要对传递函数进行比较，根据具体计算，进一步验证上述几种控制方法的特点和性能。在所有控制方法中，Buck变换器传递函数均为二阶系统，根据具体的公式可以求出无阻尼自然频率和阻尼比。通过数值之间的比较，得到了以下结论：在电压型控制下，Buck变换器会得到一个非常复杂的二阶系统，而在电流型控制下则会得到一个低频极点和高频极点分开存在的系统，V2控制也是一个复合极点的二阶系统，但是无阻尼振荡频率更高，而V2C控制和电流型控制方法相似，但低频极点和高频极点的距离较近，想要调整极点位置也更加容易。总的来说，V2C控制不仅具备了V2控制的良好瞬态特性，同时也实现了过流保护。

4    结语

在DC/DC开关电源控制方法小信号模型比较过程中，发现不同控制方法的优缺点各不相同，需要根据实际情况进行具体的选择。根据不同控制方法的传递函数以及具体数值的比较情况，V2C控制可以更加方便地调整两个极点的位置，也能够满足开关电源控制的实际需求。

[参考文献]

[1]梁廷魁.基于单片机控制的程控开关电源研究[J].南方农机，2019（21）：248.

[2]苏毅，王飞风，芦宇峰，等.开关特性试验多功能综合辅助电源装置的研究[J].电气开关，2019（1）：75-77，81.