环路设计与控制技术探讨（6）

六、控制技术探讨

对控制系统的优化主要从两个方面

1 从补偿器入手，扩展常用TypeⅡ、TypeⅢ型补偿器。

在PFC应用中为了得到高的功率因数，穿越频率要低于2倍工频频率（100Hz）一般取10~20Hz。这么低的穿越频率势必造成极差的动态响应，所以单级PFC只能用于特定的场合。

借鉴三段式充电器原理如果引入多个控制量可以解决这个问题（简单的模糊控制？），示意图如下：

图6-1-1 兼容功率因数和响应速度的PFC补偿电路

当输出电压在正常范围内中间的穿越频率为fc2=20Hz的补偿器工作，当输出电压高于设定电压时穿越频率为fc1=6kHz的上补偿器工作迅速压低输出电压，当输出电压低于设定电压时穿越频率为fc3=6kHz的下补偿器工作迅速抬升输出电压。

根据上述思路搭建一个Boost-PFC电路，首先只接中间的低穿越频率补偿器的启动波形如下：

图6-1-2 单一补偿器PFC的启动波形

上述波形的补偿器参数只是大概调了一下，波形中的只有con_mid连在电路中，在目前的参数下电路的动态特性不太理想。

保持电路中的各参数不变将con_up和con_dow连入电路后的启动波形如下：

图6-1-3 多变量启动波形

图6-1-3的启动波形相对于图6-1-21动态特性提升了不少，可见这种多变量补偿可以提升PFC电路的性能。如果能将补偿电路简化一下少用几个运放就更理想了（数字补偿的优势就是不增加硬件成本的前提下实现更多的功能）。

2、从拓扑入手

结合图5-2的结论大信号多与功率电路自身特性有关（如阻尼系数，自震角频率等），可以通过提高开关频率，降低电感、电容量等手段来改善大信号特性。

3、从控制器入手改变功率级电路的动态特性

l 首先电压控制模式，在电压模式中有两个储能元件致使其输出量与控制量之间的非线性度（或滞后性）比较严重所以也较难控制。

l 其次峰值电流控制模式（或断续模式），这种控制模式把电感变成了可控电流源，功率电路中只“剩下”电容一个储能元件，线性度（或滞后性）有所改善控制难度也随之降低。

l 再次平均电流控制模式，平均电流才是我们所需要的控制量而峰值电流和平均电流之间并不一定是线性关系，如果直接控制平均电流那么功率电路的线性度将进一步改善。

l 最后恒功控制模式，开关电源目的就是功率转换无论是电压控制还是电流控制最终都要体现在功率上，如果同时以平均电流、输入、输出电压作为监控量直接以功率为目标来进行控制那么功率电路动态特性就会得到很大提升。

按照上面四种控制模式的想法搭建了Buck仿真电路，仿真结果如下：

图6-3-1 四种控制模式启动波形对比

图6-3-1中编号从1-4分别为电压控制模式、峰值电流控制模式、平均电流控制模式、恒功率控制模式，同设想的一样线性度越好的动态特性也越好。。

采用恒功模式控制的的Buck动态波形仿真结果如下：

图6-3-2 恒功模式动态波形

将上图中两个红圈处分别展开如下：

图6-3-3 恒功动态波形展开

图6-3-3的动态效果不知是否属于非线性控制(单周期控制)，正常工作时为定频模式，负载突变时为变周期模式，以实现最快动态响应的目的……

对反激的控制电路做了些改进使其可以兼容断续模式（平均电流与峰值电流的转换问题），由于电流模式自带前馈功能所以输入电压的变化对输出几乎没有影响（在输入频率不是很高的前提下）。

图6-3-4 输入扰动及连续、断续模式切换 

图6-3-4中可以看出输入电压Vin的波动对电感电流和输出电压几乎无影响，负载在6~100欧姆之间跳变，对图中两个红圈处进行扩展放大如下：

图6-3-5 输入扰动及连续、断续模式切换局部放大

图10-6-2中突出的是从轻载到满载及从满载到轻载跳变的波形。从对反激的仿真结果看采用恒功控制模式会大幅度提升电路的动态特性，即便是反激这种电路动态变化过程限制在几个开关周期内而且过冲或跌落量都很小。

总结一下这种恒功控制方式，第一步通过实测的输出电压、电流推出当前负载，第二步根据能量守恒Uin*Iin=Vref²/Ro直接推出输入平均电流并以此为控制量，在环路系统中几乎没有未知量，最终的效果是没有右半平面零点 不受输入电压、负载的影响。

当环路设计好之后可以用时域计算方程来实现快速验证，参考链接：

http://bbs.21dianyuan.com/forum.php?mod=viewthread&tid=302017

图6-4 时域方程

图6-5 仿真与时域方程描绘的波形对比