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1、西安科技大学 硕士学位论文 数字电流滞环控制的Buck-BoostDC-DC变换器 姓名：强新娟 申请学位级别：硕士 专业：电路与系统 指导教师：程红丽;刘健 2011 论文题目：数字电流滞环控制的 Buck-Boost DC-DC 变换器 专 业：电路与系统 硕 士 生：强新娟 （签名） 指导老师：程红丽 （签名） 刘 健 （签名） 摘 要 Buck-Boost DC-DC 变换器的是 DC-DC 变换器基本拓扑之一，可以实现升压降压， 且输入电压与输出电压反相，又为反相变换器。为了改善提高 Buck-Boost DC-DC 变换 器的性能，本课题提出了一种基于微处理器实现的数字电流滞环控制
2、方法，此控制策略 具体为根据输入电压、输出电压、输出电流的采样信息及输出电压偏差反馈增益，计算 出所需要的平均电感电流，并将电感电流控制在该平均电感电流的一个滞环宽度之内， 当电感电流大于阈值上限时功率开关 S 关断，小于阈值下限时功率开关 S 导通。阐述了 数字电流滞环控制方法理论，详细分析了输入电压突变和负载突变时输出电压的动态响 应，给出了参数选择和设计考虑，在 Simulink 环境下以一个 Buck-Boost 变换器实例进 行仿真实验，获得仿真数据及波形等仿真结果。最后以 ARMLPC2138 为控制平台， 制作了一台数字电流滞环控制的 Buck-Boost DC-DC 变换器，并
3、进行了实验研究， 对输 入电压突变和负载突变时对输出电压的影响进行了实验验证，实验结果表明所提出的数 字电流滞环控制方法是可行的，所进行的理论分析是正确的，该变换器的性能达到了设 计指标。 关 键 词：数字控制；电流滞环控制；Buck-Boost DC-DC变换器；DC-DC变换器 研究类型：应用研究 Subject ：An Digital Current Following Controlled Buck-Boost DC-DC Converter Specialty ：Circuit and System Name ：Qiang Xinjuan (Signature) Instructor
4、：Cheng Hongli (Signature) Liu Jian (Signature) ABSTRACT Buck-Boost DC-DC converter is a basic topology of DC-DC converter, can realize pressor step-down, and input voltage and output voltage reversed-phase as a reversed-phase converter. To improve the behavior of Buck-Boost DC-DC converters, a digit
5、al current following control approach based on the microprocessor to realize is described in this topic. The output current, the output voltage and the input voltage are measured, based on which, and according to the gain of the feed back voltage basis, the desired averaged inductor current is worke
6、d out and the inductor current is controlled to a narrow range around it, by outputing high and low level to control switch. Elaborated the digital current hysteresis control method theorys .The dynamic performance in case of the input voltage changing and the load changing is deduced. The design co
7、nsiderations are given. An example is given to show the parameter design steps. Experiments are made on the example. The influence on the output voltage when the input voltage and the load suddenly changes are tested. The results of the experiments show that the proposed approach is feasible and the
8、 analysis is correct, the converter meets design index. Key words : Digital control Current following control Buck-Boost DC-DC converters DC-DC converters Thesis : Application Research 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集团已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包
9、含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题在撰写的文章一律注明
10、作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 1 绪论 1 1 绪论 1.1 开关电源背景 电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术 指标及能否安全可靠地工作。目前常用的有直流稳压电源和开关电源两大类，其中开关 稳压电源（以下简称开关电源）是在晶体管线性稳压电源的基础上发展起来的，最早出 现的是串联型开关电源， 其主电路拓扑与线性电源相仿， 但功率晶体管工作于开关状态。 后来随着脉宽调制（PWM）控制技术的发展，用以控制开关变换器，得到 PWM 开关电 源，它的特点是用 20kHz 脉冲频率或脉冲宽度调制
11、。PWM 开关电源效率可达 6570%， 而线性电源的效率只有 3040%，在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关 注。线性电源工作于工频，因此用工作频率为 20kHz 的 PWM 开关电源替代，可大幅度 节约能源，在电源技术发展史上誉为 20kHz 革命1-2。 开关电源， 顾名思义就是电路中的电力电子器件工作在开关状态的电源。 这样一来， 如果把四大类基本电力电子电路（AC-DC 电路、DC-AC 电路、AC-AC 电路、DC-DC 电路）都看成电源电路，则所有的电力电子电路也都可以看成开关电源电路，但在实际 应用中，开关电源所涵盖的范围比这个范围要小的多。同时具备三个条件的电源可
12、称之 为开关电源，这三个条件就是：开关（电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线 性状态） 、高频（电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频）和直流（电 源输出是直流而不是交流）3。 1.2 开关电源发展现状及趋势 1.2.1 开关电源发展现状 开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常 广泛的一种电力电子装置。开关电源通过电路控制开关管进行高速的导通与截止，将直 流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电 压。 开关电源真正的发展是从 70 年代开始的，在此期间系统的电力电子理论的确立， 电力电子理论为开关电源的发展提
13、供了一个良好而必需的基础。但在产品应用的初期， 存在开关频率低（20kHz 以下） 、功率密度比较低、可靠性较差的缺点，因此开关电源 主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。大功率场效应管（MOSFET）及绝缘 栅晶体管（IGBT）等器材的出现为高频和大功率变换器提供了极有利的条件，新的器 西安科技大学硕士学位论文 2 件和新的拓扑理论的出现使得开关电源技术日趋可靠、成熟、经济、适用。开关电源目 前的发展，主要朝着更高的功能密度和变换效率及更好的动态特性；更好的环保性能； 智能化与高可靠性；更广泛的应用等方向发展4-5。 1.2.2 开关电源发展趋势 目前，开关电源的发展趋势是轻、小、薄，
14、高频化、集成化、模块化等。 （1）小型、薄型、轻量化 使开关电源小型化的具体办法有：一是高频化，为了实现电源高功率密度，必须提 高 PWM 变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。二是应用压电变压 器，应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。三是采用新型 电容器，为了减小电子设备体积和重量，提高能量密度，研究开发适合于电力电子及电 源系统用的新型电容器。四是同时采用 SMT 技术在电路板两面布置元件以确保开关电 源的轻、小、薄。 （2）高可靠性 开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，对于电力电子装置，元器件数量 越多，发生故障的机率越大，装置的可靠性越低，
15、通过设计方面合理优化，可以大大延 长开关电源的寿命，提高其可靠性。 （3）高效率 开关电源的高频化使传统的 PWM 开关功耗加大、效率降低、噪声提高，且达不到 高频、高效的预期效益，而零电压导通、零电流关断的软开关技术有效推动了这个方向 的发展，提升了开关电源的效率。 （4）模块化 随着集成电路的发展，也推动了开关电源小的发展趋势，近年来其发展方向是将小 功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线 长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护 集成在一个模块中。 （5）低噪声抗电磁干扰（EMI） 噪声是开关电源技术发展中面临的一个问题，是追求高频化带来的负面影响。降噪 技术之一是采用部分谐振转换回路，但同时也存在一些不足之处。 （6）计算机辅助设计（CAD） 利用计算机辅助设计（CAD）技术对开关电源系统、稳定性分析、电路仿真、印刷 电路板、热传导分析、EMI 分析以及可靠性等进行设计和模拟试验，是有效快速经济 的设计方法。电源系统的 CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数优化、 磁设计、热设计、EMI 设计和印制电路板设计、可靠性预估等，用基于仿真的专家系 1 绪论 3 统进行电源系统的 CAD，可使所设计的系统性能优化，减少制造费用。此外，电源系
