阅读说明：本技术 一种适用于宽输出的电源环路控制方法及其系统 (Power supply loop control method and system suitable for wide output ) 是由 刘贺 张迪 施凯敏 付明 朱洪雨 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种适用于宽输出的电源环路控制方法及其系统,所述电源环路控制方法包括以下步骤：步骤S1,计算参考模型环路的控制信号与输出电压之间的传递函数；步骤S2,通过环路控制确定参考模型环路的传递函数的表达式；步骤S3,调节电压环与参考模型环路在产生最终控制信号之间的权重；步骤S4,在所述电压环内部增加所述参考模型环路进而实现电源环路控制,其中,所述参考模型环路的输入信号来自于电压环的输出及基准。本发明新增了一个参考模型环路,该参考模型环路的输入信号来自于电压环的输出以及基准,该参考模型环路的输出信号与电压环的输出信号将按照一定比例共同决定电源环路控制的脉宽调制,能够很好地提高环路控制的稳定性。(The invention provides a power supply loop control method and a system thereof suitable for wide output, wherein the power supply loop control method comprises the following steps: step S1, calculating a transfer function between the control signal and the output voltage of the reference model loop; step S2, determining the expression of the transfer function of the reference model loop through loop control; step S3, adjusting the weight of the voltage loop and the reference model loop between the final control signal generation; and step S4, adding the reference model loop in the voltage loop to realize power loop control, wherein the input signals of the reference model loop are from the output of the voltage loop and the reference. The invention adds a reference model loop, the input signal of the reference model loop comes from the output of the voltage loop and the reference, the output signal of the reference model loop and the output signal of the voltage loop jointly determine the pulse width modulation of the power loop control according to a certain proportion, and the stability of the loop control can be well improved.)

一种适用于宽输出的电源环路控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种电源环路控制方法，尤其涉及一种适用于宽输出的电源环路控制方法，并涉及采用了该适用于宽输出的电源环路控制方法的电源环路控制系统。

背景技术

对于功率变换器而言，当输入电压固定输出电压大幅变化时，比如165V-240V之间的输出电压波动输出，则成为宽电压范围输出，简称宽输出，将导致变换器控制与输出电压之间的传递函数随之改变。若采用传统的电压型控制器，控制信号与输出电压之间的传递函数G_vd(s)的变化将直接反应至变换器稳定性的电压环传递函数T_{v_VMC}(s)中，通常输出电压由低至高时，控制信号与输出电压之间的传递函数G_vd(s)的带宽也将逐渐升高，因此，容易导致电压环传递函数T_{v_VMC}(s)的穿越频率变化范围过大，且在高穿越频率处将会因相位裕度不足而引发稳定性等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够提高环路控制稳定性的适用于宽输出的电源环路控制方法，并涉及采用了该适用于宽输出的电源环路控制方法的电源环路控制系统。

对此，本发明提供一种适用于宽输出的电源环路控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，计算参考模型环路的控制信号与输出电压之间的传递函数；

步骤S2，通过环路控制确定参考模型环路的传递函数的表达式；

步骤S3，调节电压环与参考模型环路在产生最终控制信号之间的权重；

步骤S4，在所述电压环内部增加所述参考模型环路进而实现电源环路控制，其中，所述参考模型环路的输入信号来自于电压环的输出及基准。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S1中，通过公式

计算所述参考模型环路的控制信号与输出电压之间的传递函数G_ref(s)，其中，f_{ref_p}为参考模型环路中主导极点的表达式，s为传递函数的变量。

本发明的进一步改进在于，通过公式

计算所述参考模型环路中主导极点的表达式f_{ref_p}，其中，L和C分别为参考模型环路的滤波电感及输出滤波电容，R_L为负载电阻，T_s为开关周期，D为开关管开通时间的占空比。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S2中，通过公式T_m(s)＝H_vG_ref(s)G_m(s)(1-β)确定参考模型环路的传递函数的表达式T_m(s)，用于分析该环路的稳定性，其中，H_v为所述电压环的输出电压采样系数，G_m(s)为所述参考模型环路补偿器的传递函数，β为所述电压环的控制输出系数。

本发明的进一步改进在于，步骤S3中，通过所述电压环的控制输出系数β来调节电压环与参考模型环路在产生最终控制信号之间的权重。

本发明的进一步改进在于，所述电压环的控制输出系数β的取值范围为0.5～0.8。

本发明的进一步改进在于，所述参考模型环路的环路控制中，电压环的环路控制器传递函数G_v(s)的输出值输入至所述控制信号与输出电压之间的传递函数G_ref(s)中，然后通过输出电压采样系数H_v的调节之后输入至参考模型环路乘法器，所述参考模型环路乘法器的输出输入至所述参考模型环路补偿器的传递函数G_m(s)，最后通过系数1-β的调节后输入至电压环乘法器中。

本发明的进一步改进在于，所述电压环的环路控制中，所述电压环的环路控制器传递函数G_v(s)通过所述电压环的控制输出系数β调节后的结果，与所述参考模型环路补偿器的传递函数G_m(s)通过系数1-β调节后的结果输入至所述电压环乘法器，然后在进行脉宽调制之后，输入至控制信号与输出电压之间的传递函数G_vd(s)中，实现电压输出。

本发明的进一步改进在于，所述参考模型环路的相位裕度大于45°，增益裕度大于10dB。

本发明还提供一种适用于宽输出的电源环路控制系统，采用了如上所述的适用于宽输出的电源环路控制方法，并包括电压环控制电路和参考模型环路控制电路，所述电压环控制电路与所述参考模型环路控制电路相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在现有的电压环内部新增了一个参考模型环路，该参考模型环路的输入信号来自于电压环的输出以及基准，该参考模型环路的输出信号与电压环的输出信号将按照一定比例共同决定电源环路控制的脉宽调制，进而，能够很好地提高环路控制的稳定性，有效避免了因为相位裕度不足而引发稳定性等问题。

附图说明

图1是本发明一种实施例的工作流程结构示意图；

图2是本发明一种实施例的电源环路控制原理框图；

图3是现有技术中的电源环路控制原理框图；

图4是本发明一种实施例的电压环控制电路的电路原理图；

图5是本发明一种实施例的参考模型环路控制电路的电路原理图；

图6是现有技术在输出电压宽范围变化时的稳定性仿真测试图；

图7是本发明一种实施例在输出电压宽范围变化时的稳定性仿真测试图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本例提供一种适用于宽输出的电源环路控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，计算参考模型环路的控制信号与输出电压之间的传递函数；

步骤S2，通过环路控制确定参考模型环路的传递函数的表达式；

步骤S3，调节电压环与参考模型环路在产生最终控制信号之间的权重；

步骤S4，在所述电压环内部增加所述参考模型环路进而实现电源环路控制，其中，所述参考模型环路的输入信号来自于电压环的输出及基准。

现有技术中，采用传统的电压型控制器，其控制框图如图3所示，用于评估变换器稳定性的电压环传递函数T_{v_VMC}(s)可表示为T_{v_VMC}(s)＝H_vF_mG_vd(s)G_v(s)，由该公式可知，控制信号与输出电压之间的传递函数G_vd(s)的变化将直接反应在电压环传递函数T_{v_VMC}(s)中。通常输出电压由低至高时，控制信号与输出电压之间的传递函数G_vd(s)的带宽也将逐渐升高，因此，容易导致电压环传递函数T_{v_VMC}(s)的穿越频率变化范围过大，且在高穿越频率处因相位裕度不足而引发稳定性等问题。公式以及图3中，Gv(s)为电压环路控制器传递函数；Fm为脉宽调制传递函数；Hv为输出电压采样系数；Z_o(s)为负载电流与输出电压之间的传递函数；G_vovi(s)为输入电压与输出电压之间的传递函数；G_vd(s)为整个电源环路控制系统(变换器)的控制信号与输出电压之间的传递函数。

本例在传统的电压型环路控制方式上加以改进，引入参考模型环路的设计理念，其控制方式的框图如图2所示。

本例所述参考模型环路中的G_ref(s)用于模拟变换器的频率特性，将整个电源环路控制系统(变换器)的控制信号与输出电压之间的传递函数G_vd(s)可简化为一个单极点的一阶传递函数，那么，所述步骤S1中，通过公式

计算所述参考模型环路的控制信号与输出电压之间的传递函数G_ref(s)，其中，f_{ref_p}为参考模型环路中主导极点的表达式，s为传递函数的自变量。

本例以工作在电感电流断续模式下的Buck变换器为例，通过公式

计算所述参考模型环路中主导极点的表达式f_{ref_p}，其中，L和C分别为所述参考模型环路的滤波电感及输出滤波电容，所述参考模型环路也称参考模型环路变换器；R_L为负载电阻，T_s为开关周期，D为开关管的占空比。

本例在改进的环路控制下，所述电压环的传递函数T_{v_MFVMC}(s)可表示为：

该公式中，若|H_vG_ref(s)G_m(s)(1-β)|以及|H_vF_mG_vd(s)G_m(s)(1-β)|的幅值远大于1，则所述电压环的传递函数T_{v_MFVMC}(s)的表达式可化简为：T_{v_MFVMC}(s)≈H_vG_v(s)G_ref(s)β。

为满足上述条件，需满足所述参考模型环路的传递函数T_{ref_MFVMC}(s)拥有较高的穿越频率，且所述参考模型环路的相位裕度大于45°，增益裕度大于10dB。

因此，本例所述步骤S2中，通过公式T_{ref_MFVMC}(s)＝H_vG_ref(s)G_m(s)(1-β)确定所述参考模型环路的传递函数的表达式T_{ref_MFVMC}(s)，其中，H_v为所述电压环的输出电压采样系数，该系数可以根据实际需要进行自定义设置和调整，本例优选为0.64；G_m(s)为所述参考模型环路补偿器的传递函数，β为所述电压环的控制输出系数。

本例所述步骤S3中，通过所述电压环的控制输出系数β来调节电压环与参考模型环路在产生最终控制信号之间的权重，整个电源环路控制系统(变换器)的输出电压的响应速度取决于电压环，经测试，所述电压环的控制输出系数β的取值范围为0.5～0.8时，效果最好。

如图2所示，本例所述参考模型环路的环路控制中，电压环的环路控制器传递函数G_v(s)的输出值输入至所述控制信号与输出电压之间的传递函数G_ref(s)中，然后通过输出电压采样系数H_v的调节之后输入至参考模型环路乘法器，所述参考模型环路乘法器的输出输入至所述参考模型环路补偿器的传递函数G_m(s)，最后通过系数1-β的调节后输入至电压环乘法器中；图2中，T_m表示的是参考模型环路，T_V表示的是电压环。

如图2所示，本例所述电压环的环路控制中，所述电压环的环路控制器传递函数G_v(s)通过所述电压环的控制输出系数β调节后的结果，与所述参考模型环路补偿器的传递函数G_m(s)通过系数1-β调节后的结果输入至所述电压环乘法器，然后在进行脉宽调制之后，输入至控制信号与输出电压之间的传递函数G_vd(s)中，实现电压输出。

如图4和图5所示，本例还提供一种适用于宽输出的电源环路控制系统，采用了如上所述的适用于宽输出的电源环路控制方法，并包括电压环控制电路1和参考模型环路控制电路2，所述电压环控制电路1与所述参考模型环路控制电路2相连接。

如图4所示，本例所述电压环控制电路1包括用于实现所述电压环的输出电压采样系数H_v的输出电压采样系数电路101和用于实现所述电压环路控制器传递函数Gv(s)的电压环路控制传递电路102，所述输出电压采样系数电路101与所述电压环路控制传递电路102相连接。

如图4和图5所示，本例所述参考模型环路控制电路2包括用于实现所述电压环的控制输出系数β的电压环控制输出系数电路201、用于实现所述参考模型环路补偿器的传递函数G_m(s)的参考模型环路补偿传递电路202以及用于实现传递函数G_ref(s)和输出电压采样系数H_v进行叠加的叠加电路203，所述电压环控制输出系数电路201通过参考模型环路补偿传递电路202连接至所述叠加电路203，所述叠加电路203与所述电压环路控制传递电路102相连接。

从图6和图7可知，本例所述电压环的传递函数T_{v_MFVMC}(s)中涉及的各项均是不随变换器工作条件而变的传递函数，因此在理想情况下，本例可以解决传统电压型控制在宽输出电源中面临的稳定性问题。在实际中，虽然所述参考模型环路的控制信号与输出电压之间的传递函数G_ref(s)无法完全模拟控制信号与输出电压之间的传递函数G_vd(s)的频率特性，但本例同样可以将不同输出电压下的电压环的传递函数T_{v_MFVMC}(s)维持在较小的变化范围内，从而避免稳定性问题。

如图6和图7所示的是Buck变换器输出电压宽范围变化时图3中的现有技术与图2的本例的稳定性测试结果对比，由图6和图7可知，现有技术的电压环穿越频率变化范围为7.5kHz～35.8kHz，相位裕度最高为82.5°，最低时已不足45°。相比而言，本例的各项参数变化范围较小，能够很好地满足稳定性要求，突破了现有技术的技术瓶颈。

综上所述，本例在现有的电压环内部新增了一个参考模型环路，该参考模型环路的输入信号来自于电压环的输出以及基准，该参考模型环路的输出信号与电压环的输出信号将按照一定比例共同决定电源环路控制的脉宽调制，进而，能够很好地提高环路控制的稳定性，有效避免了因为相位裕度不足而引发稳定性等问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。