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軌到軌可調輸出單級Buck變換器的研究與設計
2018年電子技術應用第10期
湯健強，周鳳星，梅鳴陽
武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢430081
摘要： 高壓電源作為電纜故障檢測儀的重要組成單元，其輸出電壓的安全性、穩(wěn)定性以及可調輸出范圍對電纜故障點的快速檢測具有重要的促進作用。針對高壓電源的寬范圍可調輸出問題，設計了具有軌到軌輸出特性的寬范圍可調單級Buck變換器作為高壓電源的前級預調壓。采用Buck變換器統(tǒng)一電路模型分析并設計了閉環(huán)反饋補償控制器和可軟件配置的軟啟動控制方法，同時完成了基于TL494的Buck變換器硬件電路設計，最后通過仿真分析與實驗測試驗證了所設計的Buck變換器能夠實現輸出電壓10～300 V連續(xù)可調，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應，連續(xù)帶載工作2小時無異常。
中圖分類號： TM7
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174140
中文引用格式： 湯健強，周鳳星，梅鳴陽. 軌到軌可調輸出單級Buck變換器的研究與設計[J].電子技術應用，2018，44(10)：174-178.
英文引用格式： Tang Jianqiang，Zhou Fengxing，Mei Mingyang. Study and design of an adjustable rail-to-rail output single-stage buck converter[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(10)：174-178.
Study and design of an adjustable rail-to-rail output single-stage Buck converter
Tang Jianqiang，Zhou Fengxing，Mei Mingyang
School of Information Science and Technology，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China
Abstract： As an important component of the cable fault detector, the output safety, stability and adjustable output range of the high voltage power supply play an important role in promoting the rapid detection of the cable fault point. In this paper, a wide range of adjustable single-stage Buck converter with rail-to-rail output characteristics is designed as a pre-regulator for the wide range of adjustable output high power supply. The closed-loop feedback compensation controller and software-configurable soft-start control method are analyzed and designed by using the unified circuit model of Buck converter. At the same time, the hardware circuit design of Buck converter based on TL494 is completed. Finally, simulation analysis and experimental test results show that this design of the Buck converter which can achieve the output voltage range from 10 to 300 V continuous adjustability has strong stability and high dynamic response. It can work continuously in 2 hours without exception.
Key words : rail-to-rail adjustable output；buck converter；feedback compensation；TL494；soft start

0 引言

    隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，高壓電源作為特種電源的一種被廣泛應用于電力電網、通信、環(huán)境以及航空航天等諸多領域[1-2]。在電力電纜故障點的快速定位中，高壓電源作為電纜檢測儀的重要組成部分，配合高壓脈沖電容器負責向故障電纜提供一定能量的脈沖激勵信號，由接收機對回波信號進行分析和處理，得出故障點的位置信息。然而，地下電纜的長度、規(guī)格型號、耐壓等級在不同的使用環(huán)境中需求各異，所以要求檢測設備中高壓電源的輸出電壓應能根據需要調節(jié)到適和電纜故障點定位需求的幅值，從而適應電纜的耐壓等級，避免故障電纜二次擊穿現象的發(fā)生。

    根據應用需求，本文設計了一種軌到軌可調輸出單級Buck變換器[3]，通過對全橋變換器直流母線輸入電壓進行前級預調壓，然后經全橋逆變升壓輸出，從而實現高壓電源寬范圍可調輸出，以滿足用戶在不同使用環(huán)境下對高壓電源輸出電壓幅值的要求，提高電源的安全性和穩(wěn)定性，避免電纜檢測中電纜被二次擊穿。

1 Buck變換器統(tǒng)一電路模型

    Buck變換器的電路拓撲結構與統(tǒng)一電路模型[4-5]如圖1所示，Q為功率開關管，VD為續(xù)流二極管，L為濾波電感，C為濾波電容，R為負載電阻，Vg為輸入電壓，Vo為輸出電壓，iL為電感電流，u為開關管控制信號。

    根據圖1可知Buck變換器輸入至輸出的傳遞函數以及占空比至輸出的傳遞函數分別為：

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2 Buck變換器反饋補償控制器設計

    根據式(1)、式(2)可知，Buck變換器的輸出受到占空比D和負載R的影響。因此需要進行閉環(huán)反饋補償控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

2.1 Buck變換器技術參數設計

    文中Buck變換器的主要技術參數如下：

    (1)輸入電壓：AC 220 V；輸出電壓：DC 10~300 V連續(xù)可調，額定輸出電流20 A，輸出限流30 A；

    (2)PWM控制器占空比調節(jié)范圍：3%<D<97%；開關頻率fs=50 kHz；

    (3)輸出濾波電感L=5.5 mH，輸出濾波電容C=4 000 μF，假定負載為純電阻：R≥15 Ω。

2.2 閉環(huán)穩(wěn)定性分析

    假設Gm(s)為PWM脈寬調制器的傳遞函數，脈寬調制采用鋸齒波調制，幅值范圍為0~Vm；H(s)為電阻R1和R2分壓反饋網絡的傳遞函數；Gc(s)為補償網絡的傳遞函數，則具有閉環(huán)反饋補償控制的Buck變換器結構框圖如圖2所示。

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    其中

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    從圖3(a)中Go(s)的極點分布以及幅相曲線的特點可知該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，但是其相對穩(wěn)定性較低。

    系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性主要體現在相位裕量和增益裕量兩個方面。從圖3(b)中Go(s)的幅頻曲線可知Go(s)低頻增益為8.5 dB的水平線，高頻增益為以-40 dB/dec斜率穿越0 dB線的折線。系統(tǒng)增益交越頻率fg=49.2 Hz；相位裕量Φm=180°+arg(Go(j2πfg))=6°；增益裕量Ag<-40 dB。可見Go(s)的相位裕量和增益裕量均偏小，穩(wěn)定性差，極端工作條件下系統(tǒng)性能下降，很容易造成系統(tǒng)失效。因此，需要對控制環(huán)路加入補償，以提高系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，增強系統(tǒng)的魯棒性。

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2.3 環(huán)路補償設計

    環(huán)路補償[6-7]作為控制系統(tǒng)中改善系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)特性的重要組成部分，對系統(tǒng)的輸出精度、電壓調整率、頻帶寬度以及暫態(tài)響應均會產生影響。合適的補償網絡設計對控制器性能的改善有著重要的促進作用。通常，通過添加補償網絡使閉環(huán)控制系統(tǒng)的相位裕量和增益裕量為45°和10 dB左右，以減小系統(tǒng)超調和調節(jié)時間，同時提高系統(tǒng)的魯棒性。圖4為采用運算放大器構建的有源超前-滯后補償網絡。

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    補償網絡的傳遞函數為：

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    圖5為添加補償后系統(tǒng)傳遞函數G(s)的穩(wěn)定性分析曲線?？梢钥吹窖a償后系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了加強。

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3 功能電路設計與軟啟動控制

3.1 Buck變換器硬件電路及工作原理

    Buck變換器的設計主要包含PWM控制器外圍電路、電壓、電流雙閉環(huán)控制以及環(huán)路補償設計。圖6為采用TL494的Buck電路[8]主控制電路。V_DTC通過DAC輸出控制PWM死區(qū)時間，用以實現Buck變換器的啟停調節(jié)與軟啟動；I_SENSE為電流反饋信號；LM358、AD822與外部電阻電容構建電壓反饋補償網絡，實現控制回路的反饋補償。

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3.2 軟啟動控制

    DC/DC變換器在開機瞬間會產生浪涌電流，需要對電路進行軟啟動[9]設置。

    本文利用PWM控制芯片TL494存在PWM輸出死區(qū)時間控制引腳的優(yōu)點，通過軟件可編程控制的DAC模塊AD5663輸出軟啟動控制電平，對PWM輸出最大占空比進行限制，以抑制開關管峰值電流的增長速率，即：

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4 仿真分析與實驗驗證

    為了對上述Buck變換器設計的理論分析進行驗證，采用Saber軟件仿真與樣機制作進行實驗測試。

4.1 Saber軟件仿真分析

    根據圖6中Buck電路控制器原理圖設計，采用Saber軟件進行仿真分析。依次測試Buck變換器在不同負載條件下的輸出電壓與反饋補償環(huán)路輸出電壓的變化情況如圖7所示。圖中U1為Buck變換器的輸出電壓Vo，U2為反饋補償環(huán)路輸出電壓Vcomp波形。

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    圖7的仿真結果顯示，改變參考電位V_SET，Buck變換器的輸出電壓Vo隨之線性變化，達到了預期直流調壓的要求。所設計的寬范圍直流調壓電路在輕載、滿載以及負載突變的情況下，其輸出電壓的范圍廣度、穩(wěn)定性、調節(jié)線性度以及負載調整率均達到了設計要求，理論上證實了設計的合理性。

4.2 實驗測試與結果分析

    根據理論與仿真分析的結果，通過研制一臺樣機，對其工作特性進行測試，得到如圖8所示的Buck變換器的輸出電壓與PWM波形。

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    圖8中設定Buck變換器參考電位的不同，PWM控制器均能根據反饋控制環(huán)路輸出電壓的變化快速實現輸出電壓對設定電壓的跟蹤效果，使得調壓輸出保持穩(wěn)定。實驗結果表明：根據前述Buck變換器理論模型的建立與Saber軟件模型的仿真與分析結果，設計應用于高壓電源的前級預調壓電路，能夠很好地滿足高壓電源寬范圍連續(xù)可調的需求，同時保證了電源輸出的安全性與穩(wěn)定性。

5 結論

    針對應用于電力電纜故障檢測的可調高壓電源設計，研制了具有軌到軌輸出特性的單級Buck變換器，實現220V市電輸入，10～300 V/20 A連續(xù)可調輸出的Buck變換器設計，將其作為全橋變換器前級預調壓，再通過高頻升壓變壓器升壓，有效保證了高壓電源寬范圍連續(xù)可調輸出的安全性與穩(wěn)定性。

    本文詳細闡述了Buck變換器統(tǒng)一電路模型分析以及Buck變換器的控制環(huán)路補償分析與設計，采用軟硬件協作的方式實現了Buck變換器在啟動、空載、輕載、重載以及負載突變時的穩(wěn)定工作。由于輸出電壓調節(jié)的廣度，該設計既為可調高壓電源的設計提供了良好的解決方案，同時，也可應用于大部分的低壓直流設備的供電，因此具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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作者信息：

湯健強，周鳳星，梅鳴陽

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢430081）

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