《電子技術(shù)應(yīng)用》
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軌到軌可調(diào)輸出單級Buck變換器的研究與設(shè)計
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
湯健強,，周鳳星,，梅鳴陽
武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)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(diào)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(diào)輸出問題,，設(shè)計了具有軌到軌輸出特性的寬范圍可調(diào)單級Buck變換器作為高壓電源的前級預(yù)調(diào)壓,。采用Buck變換器統(tǒng)一電路模型分析并設(shè)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(shè)計,，最后通過仿真分析與實驗測試驗證了所設(shè)計的Buck變換器能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓10～300 V連續(xù)可調(diào),，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)，連續(xù)帶載工作2小時無異常,。
中圖分類號： TM7
文獻標(biāo)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(diào)輸出單級Buck變換器的研究與設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)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(shù)的不斷發(fā)展，高壓電源作為特種電源的一種被廣泛應(yīng)用于電力電網(wǎng),、通信,、環(huán)境以及航空航天等諸多領(lǐng)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(zé)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(shè)備中高壓電源的輸出電壓應(yīng)能根據(jù)需要調(diào)節(jié)到適和電纜故障點定位需求的幅值,，從而適應(yīng)電纜的耐壓等級,，避免故障電纜二次擊穿現(xiàn)象的發(fā)生。

    根據(jù)應(yīng)用需求,，本文設(shè)計了一種軌到軌可調(diào)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(yù)調(diào)壓，然后經(jīng)全橋逆變升壓輸出,，從而實現(xiàn)高壓電源寬范圍可調(diào)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(jié)構(gòu)與統(tǒng)一電路模型[4-5]如圖1所示，Q為功率開關(guān)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(guān)管控制信號,。

    根據(jù)圖1可知Buck變換器輸入至輸出的傳遞函數(shù)以及占空比至輸出的傳遞函數(shù)分別為：

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2 Buck變換器反饋補償控制器設(shè)計

    根據(jù)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(shù)參數(shù)設(shè)計

    文中Buck變換器的主要技術(shù)參數(shù)如下：

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

    (2)PWM控制器占空比調(diào)節(jié)范圍：3%<D<97%；開關(guān)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(shè)Gm(s)為PWM脈寬調(diào)制器的傳遞函數(shù),，脈寬調(diào)制采用鋸齒波調(diào)制，幅值范圍為0~Vm,；H(s)為電阻R1和R2分壓反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù),；Gc(s)為補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù),，則具有閉環(huán)反饋補償控制的Buck變換器結(jié)構(gòu)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(xiàn)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,?？梢奊o(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(shè)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(diào)整率、頻帶寬度以及暫態(tài)響應(yīng)均會產(chǎn)生影響,。合適的補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(diào)和調(diào)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(gòu)建的有源超前-滯后補償網(wǎng)絡(luò),。

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    補償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

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    圖5為添加補償后系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)的穩(wěn)定性分析曲線,。可以看到補償后系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了加強,。

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3 功能電路設(shè)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(shè)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(shè)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(xiàn)Buck變換器的啟停調(diào)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(gòu)建電壓反饋補償網(wǎng)絡(luò),，實現(xiàn)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(chǎn)生浪涌電流，需要對電路進行軟啟動[9]設(shè)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(guān)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(shè)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(jù)圖6中Buck電路控制器原理圖設(shè)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(jié)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(yù)期直流調(diào)壓的要求。所設(shè)計的寬范圍直流調(diào)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(diào)節(jié)線性度以及負載調(diào)整率均達到了設(shè)計要求,，理論上證實了設(shè)計的合理性。

4.2 實驗測試與結(jié)果分析

    根據(jù)理論與仿真分析的結(jié)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(shè)定Buck變換器參考電位的不同,，PWM控制器均能根據(jù)反饋控制環(huán)路輸出電壓的變化快速實現(xiàn)輸出電壓對設(shè)定電壓的跟蹤效果，使得調(diào)壓輸出保持穩(wěn)定,。實驗結(jié)果表明：根據(jù)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(jié)果,，設(shè)計應(yīng)用于高壓電源的前級預(yù)調(diào)壓電路，能夠很好地滿足高壓電源寬范圍連續(xù)可調(diào)的需求,，同時保證了電源輸出的安全性與穩(wěn)定性,。

5 結(jié)論

    針對應(yīng)用于電力電纜故障檢測的可調(diào)高壓電源設(shè)計，研制了具有軌到軌輸出特性的單級Buck變換器,，實現(xiàn)220V市電輸入,，10～300 V/20 A連續(xù)可調(diào)輸出的Buck變換器設(shè)計，將其作為全橋變換器前級預(yù)調(diào)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(diào)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(shè)計,，采用軟硬件協(xié)作的方式實現(xiàn)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(diào)節(jié)的廣度,，該設(shè)計既為可調(diào)高壓電源的設(shè)計提供了良好的解決方案,，同時，也可應(yīng)用于大部分的低壓直流設(shè)備的供電,，因此具有廣闊的應(yīng)用前景,。

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作者信息：

湯健強，周鳳星,，梅鳴陽

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,，湖北 武漢430081）

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