本發(fā)明涉及一種開關(guān)電源控制電路，尤其涉及一種開關(guān)電源固定頻率的控制電路及控制方法。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)的開關(guān)電源的固定頻率V2控制方案具有輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性，十分適用于高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合。但是傳統(tǒng)的開關(guān)電源的固定頻率V2控制不足之處在于抗干擾能力差，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性容易受到外界干擾及系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，在干擾較多的應(yīng)用場(chǎng)合中存在著潛在的穩(wěn)定性問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種開關(guān)電源固定頻率的控制電路，還提供了一種基于所述控制電路的控制方法。本發(fā)明開關(guān)電源固定頻率的控制電路包括開關(guān)電源模塊、采樣模塊和控制模塊，所述開關(guān)電源模塊包括開關(guān)電源、開關(guān)管S1、電感L及電阻RL，所述采樣模塊包括輸出電壓采樣單元和輸出電壓交流量采樣放大單元，所述控制模塊包括諧波補(bǔ)償器、H∞控制器、RS觸發(fā)器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、比較器和積分放大單元，所述開關(guān)管S1的漏極與開關(guān)電源相連，所述開關(guān)管S1的源極通過(guò)電感L與電阻RL的一端相連，所述開關(guān)管S1的柵極與RS觸發(fā)器的Q輸出端相連，所述輸出電壓采樣單元和輸出電壓交流量采樣放大單元的一端分別并聯(lián)在所述電阻RL的另一端，所述諧波補(bǔ)償器的輸出電壓值與輸出電壓交流量采樣放大單元的輸出電壓值和運(yùn)算后與比較器的一個(gè)輸入端相連，所述輸出電壓采樣單元的另一端通過(guò)比較器和積分放大單元與H∞控制器的一端相連，所述H∞控制器另一端與比較器的另一個(gè)輸入端相連，所述RS觸發(fā)器的R輸入端與比較器的輸出端相連，所述RS觸發(fā)器的S輸入端與時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器相連。通過(guò)在控制回路中加入H∞控制器，實(shí)現(xiàn)了高魯棒性、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的控制效果。本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述開關(guān)電源模塊還包括開關(guān)管S2，所述開關(guān)管S2的漏極設(shè)置在所述開關(guān)管S1和電感L之間，所述開關(guān)管S2的源極設(shè)置在所述電阻RL的另一端，所述開關(guān)管S2的柵極與RS觸發(fā)器的Q-輸出端相連。本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述開關(guān)電源模塊還包括和電阻R，所述電容C、電阻RC串聯(lián)，并與電阻R并聯(lián)在電阻RL和開關(guān)管S2源極之間。本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述積分放大單元包括PI控制器和第一運(yùn)算放大器，所述PI控制器一端設(shè)置在輸出電壓采樣單元和第一運(yùn)算放大器反相輸入端之間，所述PI控制器另一端設(shè)置在第一運(yùn)算放大器輸出端和H∞控制器之間，所述第一運(yùn)算放大器的同相輸入端與參考電壓相連。本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述PI控制器包括第二運(yùn)算放大器、電阻R13、電阻R14、電容C7，所述第二運(yùn)算放大器的正相輸入端連接電阻R13，所述第二運(yùn)算放大器的反相輸入端接地，所述第二運(yùn)算放大器的正負(fù)電源端分別接電源正負(fù)極，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端與正相輸入端之間設(shè)有串聯(lián)的電阻R14和電容C7。本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述諧波補(bǔ)償器包括電阻R3、電阻R4、電容C3、三極管Q1、三極管Q2、二極管D3和開關(guān)管S3，所述三極管Q1的集電極通過(guò)電阻R3接電源，所述三極管Q1的基極與三極管Q2的基極相連，所述三極管Q1的發(fā)射極通過(guò)電阻R4接地，所述三極管Q2的發(fā)射極通過(guò)電阻R5接地，所述三極管Q2的集電極輸出，所述開關(guān)管S3的漏極接參考電壓，所述開關(guān)管S3的源極與二極管D3的正極相連，所述開關(guān)管S3的柵極連接時(shí)鐘信號(hào)，所述二極管D3的負(fù)極通過(guò)電容C3接地。本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述H∞控制器包括電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電容C4、電容C5、電容C6、第三運(yùn)算放大器和第四運(yùn)算放大器，所述第三運(yùn)算放大器的正相輸入端分別與電阻R12和電容C5相連，所述電阻R11、電容C4、電阻R10串聯(lián)，所述電阻R12和電阻R11分別與所述比較器和積分放大單元輸出端相連，所述電阻R10一端與第三運(yùn)算放大器的輸出端相連，所述電阻R9和電容C5串聯(lián)，并設(shè)置在第三運(yùn)算放大器正相輸入端和輸出端之間，所述第四運(yùn)算放大器正相輸入端通過(guò)電阻R8和第三運(yùn)算放大器的輸出端相連，所述第三運(yùn)算放大器和第四運(yùn)算放大器反相輸入端接地，所述電阻R6設(shè)置在第四運(yùn)算放大器正相輸入端和輸出端之間，所述第四運(yùn)算放大器輸出端與電阻R7一端相連，所述電阻R7另一端分別與整個(gè)H∞控制器輸出端和電容C6相連，所述電容C6另一端接地，所述第三運(yùn)算放大器和第四運(yùn)算放大器的正負(fù)電源端分別接電源正負(fù)極。本發(fā)明作進(jìn)一步改進(jìn)，所述時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器采用時(shí)基電路LM555。本發(fā)明還提供了一種基于上述控制電路的控制方法，包括如下步驟：A1：對(duì)待控制開關(guān)電源的小信號(hào)建模，獲取待控制開關(guān)電源的占空比到輸出電壓、輸入電壓到輸出電壓及輸出阻抗的傳遞函數(shù)；A2：建立開關(guān)電源整體模型框圖，得到開關(guān)電源固定頻率控制電路控制下開關(guān)電源模塊的控制到輸出電壓、輸入電壓到輸出電壓以及輸出阻抗的傳遞函數(shù)；A3：利用步驟S1獲取的傳遞函數(shù)及步驟S2中獲取傳遞函數(shù)建立開關(guān)電源固定頻率的控制模型；A4：對(duì)開關(guān)電源固定頻率的控制模型進(jìn)行分析，得出H∞控制器及積分放大單元中的PI控制器的參數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活，不僅具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)具有很強(qiáng)的魯棒性；該控制方法可應(yīng)用于系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)較多，同時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力需求較高的場(chǎng)合，并可滿足不同種類拓?fù)溟_關(guān)電源的設(shè)計(jì)需求，具有十分重要的意義。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明控制電路結(jié)構(gòu)框圖；圖2為時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器電路圖；圖3為諧波補(bǔ)償器電路圖；圖4為H∞控制器電路圖；圖5為PI控制器電路圖；圖6為諧波補(bǔ)償信號(hào)及輸出電壓交流量信號(hào)波形圖；圖7為步驟S2中建立的開關(guān)電源整體模型框圖；圖8為步驟S3中H∞控制中增廣系統(tǒng)方框圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明的開關(guān)電源固定頻率的控制電路包括開關(guān)電源模塊、采樣模塊和控制模塊，所述開關(guān)電源模塊包括開關(guān)電源、開關(guān)管S1、電感L及電阻RL，所述采樣模塊包括輸出電壓采樣單元和輸出電壓交流量采樣放大單元，所述控制模塊包括諧波補(bǔ)償器、H∞控制器、RS觸發(fā)器、時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、比較器和積分放大單元，所述開關(guān)管S1的漏極與開關(guān)電源相連，所述開關(guān)管S1的源極通過(guò)電感L與電阻RL的一端相連，所述開關(guān)管S1的柵極與RS觸發(fā)器的Q輸出端相連，所述輸出電壓采樣單元和輸出電壓交流量采樣放大單元的一端分別并聯(lián)在所述電阻RL的另一端，所述諧波補(bǔ)償器的輸出電壓值與輸出電壓交流量采樣放大單元的輸出電壓值和運(yùn)算后與比較器的一個(gè)輸入端相連，所述輸出電壓采樣單元的另一端通過(guò)比較器和積分放大單元與H∞控制器的一端相連，所述H∞控制器另一端與比較器的另一個(gè)輸入端相連，所述RS觸發(fā)器的R輸入端與比較器的輸出端相連，所述RS觸發(fā)器的S輸入端與時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器相連。所述開關(guān)電源模塊還包括開關(guān)管S2，所述開關(guān)管S2的漏極設(shè)置在所述開關(guān)管S1和電感L之間，所述開關(guān)管S2的源極設(shè)置在所述電阻RL的另一端，所述開關(guān)管S2的柵極與RS觸發(fā)器的Q-輸出端相連。此外，所述開關(guān)電源模塊還包括和電阻R，所述電容C、電阻RC串聯(lián)，并與電阻R并聯(lián)在電阻RL和開關(guān)管S2源極之間。本例的積分放大單元包括PI控制器和第一運(yùn)算放大器，所述PI控制器一端設(shè)置在輸出電壓采樣單元和第一運(yùn)算放大器反相輸入端之間，所述PI控制器另一端設(shè)置在第一運(yùn)算放大器輸出端和H∞控制器之間，所述第一運(yùn)算放大器的同相輸入端與參考電壓相連。本例的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器采用時(shí)基電路LM555，也可以采用其他的時(shí)鐘模擬芯片，具體電路圖如圖2所示。如圖3所示，本例的諧波補(bǔ)償器包括電阻R3、電阻R4、電容C3、三極管Q1、三極管Q2、二極管D3和開關(guān)管S3，所述三極管Q1的集電極通過(guò)電阻R3接電源，所述三極管Q1的基極與三極管Q2的基極相連，所述三極管Q1的發(fā)射極通過(guò)電阻R4接地，所述三極管Q2的發(fā)射極通過(guò)電阻R5接地，所述三極管Q2的集電極輸出，所述開關(guān)管S3的漏極接參考電壓，所述開關(guān)管S3的源極與二極管D3的正極相連，所述開關(guān)管S3的柵極連接時(shí)鐘信號(hào)，所述二極管D3的負(fù)極通過(guò)電容C3接地。如圖4所示，本例的H∞控制器包括電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電阻R12、電容C4、電容C5、電容C6、第三運(yùn)算放大器和第四運(yùn)算放大器，所述第三運(yùn)算放大器的正相輸入端分別與電阻R12和電容C5相連，所述電阻R11、電容C4、電阻R10串聯(lián)，所述電阻R12和電阻R11分別與所述比較器和積分放大單元輸出端相連，所述電阻R10一端與第三運(yùn)算放大器的輸出端相連，所述電阻R9和電容C5串聯(lián)，并設(shè)置在第三運(yùn)算放大器正相輸入端和輸出端之間，所述第四運(yùn)算放大器正相輸入端通過(guò)電阻R8和第三運(yùn)算放大器的輸出端相連，所述第三運(yùn)算放大器和第四運(yùn)算放大器反相輸入端接地，所述電阻R6設(shè)置在第四運(yùn)算放大器正相輸入端和輸出端之間，所述第四運(yùn)算放大器輸出端與電阻R7一端相連，所述電阻R7另一端分別與整個(gè)H∞控制器輸出端和電容C6相連，所述電容C6另一端接地，所述第三運(yùn)算放大器和第四運(yùn)算放大器的正負(fù)電源端分別接電源正負(fù)極。如圖5所示，本例的PI控制器包括第二運(yùn)算放大器、電阻R13、電阻R14、電容C7，所述第二運(yùn)算放大器的正相輸入端連接電阻R13，所述第二運(yùn)算放大器的反相輸入端接地，所述第二運(yùn)算放大器的正負(fù)電源端分別接電源正負(fù)極，所述第二運(yùn)算放大器的輸出端與正相輸入端之間設(shè)有串聯(lián)的電阻R14和電容C7。本發(fā)明通過(guò)控制模塊的控制，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源在具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的同時(shí)對(duì)參數(shù)擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性。本發(fā)明的控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)靈活，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。本發(fā)明的控制電路的的控制方法具體包含如下步驟：A1：對(duì)待控制開關(guān)電源的小信號(hào)建模，獲取待控制開關(guān)電源的占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù)Gvd(s)、輸入電壓到輸出電壓的傳遞函數(shù)Gvgo(s)及輸出阻抗的傳遞函數(shù)Zoo(s)。具體計(jì)算公式如下：Gvd(s)=CRRcVins+RVinLC(R+Rc)s2+[L+CRL(Rc+R)+CRRc]s+R+RL]]>Gvgo(s)=CRRcVouts+RVoutVinLC(R+Rc)s2+Vin[L+CRL(Rc+R)+CRRc]s+Vin(R+RL)]]>Zoo(s)=RLCRcs2+(L+CRLRc)s+RRLLC(R+Rc)s2+[L+CRL(Rc+R)+CRRc]s+R+RL]]>其中，本例從數(shù)學(xué)角度來(lái)看,是對(duì)時(shí)域g(t)(t為時(shí)間)做一個(gè)變換得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的在新的空間中的函數(shù)G(s),而s只是在這個(gè)新的空間中的變量符號(hào)。A2：結(jié)合傳統(tǒng)固定頻率V2的控制方法，建立開關(guān)電源整體模型框圖，得到開關(guān)電源固定頻率控制電路控制下開關(guān)電源模塊，也就是圖1中的Buck變換器主拓?fù)?由開關(guān)管S1，開關(guān)管S2，電感L，電容C和電阻R構(gòu)成)簡(jiǎn)稱為變換器，的控制到輸出電壓、輸入電壓到輸出電壓以及輸出阻抗的傳遞函數(shù)。固定頻率V2控制下的諧波補(bǔ)償信號(hào)及輸出電壓交流量信號(hào)波形圖如圖6所示。圖中m1為輸出電壓紋波上升斜率，m2為輸出電壓紋波下降斜率，mc為諧波補(bǔ)償波形下降斜率，Kv為輸出電壓紋波的中間值,d為變換器占空比，Ts為變換器開關(guān)周期，d’＝1-d,Vs指輸出電壓紋波信號(hào)，Vc指諧波補(bǔ)償信號(hào)。固定頻率V2控制開關(guān)電源的整體數(shù)學(xué)模型框圖，如圖7所示。其中，表達(dá)式FV、FC及Fg的計(jì)算公式如下所示：Fc=2Ts(M1+2Mc)Fv=dRc(M1+2Mc)LFg=-dRc(M1+2Mc)L]]>因此，固定頻率V2控制下變換器的控制電壓到輸出電壓、輸入電壓到輸出電壓以及輸出阻抗傳遞函數(shù)如下式所示：Gvc(s)=v^out(s)v^c(s)|v^in(s)=0v^load(s)=0=FcGvd1-FvGvd]]>Gvg(s)=v^out(s)v^in(s)|v^in(s)=0v^load(s)=0=FgGvd+Gvgo1-FvGvd]]>Zout(s)=Zoo1-FvGvd]]>A3：利用步驟S1獲取的傳遞函數(shù)及步驟S2中獲取傳遞函數(shù)建立開關(guān)電源固定頻率的控制模型。具體地，通過(guò)選擇H∞控制器中的權(quán)重函數(shù)W(s)，獲得基于受控系統(tǒng)G(s)(即上述Gvc(s)、Gvg(s)、Zout(s)三個(gè)部分的組成)及權(quán)重函數(shù)W(s)的增廣矩陣P(s)。通過(guò)求解增廣矩陣P(s)的黎卡提方程式，獲取H∞控制器的最優(yōu)傳遞函數(shù)K(s)，H∞控制中增廣系統(tǒng)方框圖如圖8所示。圖8中，e為誤差信號(hào)，u為控制信號(hào)，y為變換器測(cè)量輸出，d為干擾信號(hào)，r為參考信號(hào)，n為測(cè)量噪聲，w為總輸入信號(hào)，z為系統(tǒng)輸出。本例的權(quán)重函數(shù)W(s)需要滿足如下要求：||W1S||∞≤γ||W2R||∞≤γ||W3T||∞≤γ其中，式中S指靈敏度矩陣；R指控制能量矩陣；T為互補(bǔ)靈敏度矩陣。γ指滿足上述三個(gè)條件的最小常數(shù)值。本例W1(s)、W2(s)、W3(s)為權(quán)重函數(shù)W(s)中的分量，W(s)由上述三者組成。W1(s)的選取與靈敏度矩陣S(s)有關(guān)，系統(tǒng)靈敏度矩陣S(s)是參考輸入r(s)到系統(tǒng)誤差e(s)的傳遞函數(shù)，度量了閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)外界干擾量的抑制。W1(s)代表外界干擾的頻譜特性，即此式為閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度矩陣S(s)所必須滿足的條件。為了保證系統(tǒng)具備抗擾能力，由于輸入擾動(dòng)和外界干擾一般為低頻干擾，W1(s)根據(jù)系統(tǒng)性能選取為低通濾波器。W3(s)的選取與互補(bǔ)靈敏度函數(shù)T(s)有關(guān)，T(s)對(duì)系統(tǒng)的阻尼性能和魯棒穩(wěn)定性有影響，T(s)是外界干擾輸入到平臺(tái)輸出之間的傳遞函數(shù)。在設(shè)計(jì)H∞控制器時(shí)，互補(bǔ)靈敏度函數(shù)T(s)的倒數(shù)要大于乘性范數(shù)最大值γm。為了保證W1(s)和W3(s)的頻帶不重疊，W3(s)具有高通性質(zhì)。W2(s)的選取影響到控制能量矩陣R(s)，一般情況下，為了保證控制器階次最低，在W1(s)和W3(s)確定后，W2(s)取常數(shù)，且其值越大，則R(s)無(wú)窮范數(shù)越小。在明確權(quán)重函數(shù)W(s)后即可將系統(tǒng)矩陣G(s)擴(kuò)增程增廣矩陣P(s)，隨后求解增廣矩陣P(s)的黎卡提方程式，求出H∞控制器和PI控制器增益和觀測(cè)器增益，判斷γ是否最小，使得求出所有||Tzw(s)||∞＜γ的固定頻率V2下H∞控制器K(s)表達(dá)式，其中，Tzw(s)＝LFT(P，K)＝P11+P12K(I-P22K)-1P21。A4：針對(duì)基于H∞控制理論的開關(guān)電源固定頻率的控制模型G(s)、K(s)進(jìn)行分析，求出比例積分反饋控制下的控制器參數(shù)H(s)，本例的控制器參數(shù)H(s)是指H∞控制器和PI控制器中電阻電容參數(shù)。該控制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)靈活，不僅具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，同時(shí)具有很強(qiáng)的魯棒性。本發(fā)明的控制方法可應(yīng)用與系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng)較多，同時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力需求較高的場(chǎng)合，并可滿足不同種類拓?fù)溟_關(guān)電源的設(shè)計(jì)需求，具有十分重要的意義。以上所述之具體實(shí)施方式為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，并非以此限定本發(fā)明的具體實(shí)施范圍，本發(fā)明的范圍包括并不限于本具體實(shí)施方式，凡依照本發(fā)明所作的等效變化均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3