岳　誠，秦　明，王要強

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州450001）

基于DSP的脈沖序列控制偽連續(xù)模式DC-DC變換器研究

岳誠，秦明，王要強

（鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州450001）

脈沖序列控制技術(shù)PT（Pulse Train）應(yīng)用于電感電流斷續(xù)工作模式DCM（Discontinuous Conduction mode）DC-DC變換器時特性優(yōu)良，但應(yīng)用于連續(xù)工作模式CCM（Continuous Conduction Mode）變換器時會出現(xiàn)控制問題，因此PT控制變換器帶負載能力不足。針對這一突出問題，研究一種新型的PT控制偽連續(xù)工作模式PCCM（Pseudo-Continuous Conduction Mode）變換器，將PT控制技術(shù)與新型電路拓撲相結(jié)合，有效提高了變換器的帶載能力。介紹PT控制PCCM變換器的工作原理，運用Matlab軟件得出了仿真工作波形，設(shè)計了基于DSP的硬件電路，并得出實驗波形，進一步證明了相關(guān)結(jié)論。

脈沖序列；電感電流偽連續(xù)；DC-DC變換器

0　前言

近年來，隨著高性能直流電焊機技術(shù)的快速發(fā)展，一些新穎的直流電源控制策略和拓撲技術(shù)不斷被研究和推廣[1-3]。脈沖序列控制PT（Pulse Train）是其中一種直流開關(guān)電源非線性控制技術(shù)，其基本原理是在開關(guān)周期起始時刻將采樣到的DC-DC變換器輸出電壓U0與給定的基準電壓Uref作一次比較，若U0>Uref，則控制器輸出一個占空比較小的低能脈沖驅(qū)動變換器中的可控開關(guān)管，反之則輸出一個占空比較大的高能脈沖。PT控制Buck變換器如圖1所示。相比于傳統(tǒng)的PWM控制，PT控制電路更加簡單可靠，系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)能力和魯棒性更好[4-7]。

傳統(tǒng)的直流DC-DC變換器一般工作于電感電流連續(xù)CCM（Continuous Conduction Mode）或電感電流斷續(xù)DCM（Discontinuous Conduction Mode）這兩種導電模式。在DCM工作模式下，變換器輸出功率受限于電感電流的包絡(luò)面積，一般僅適用于小功率應(yīng)用場合；在CCM模式之下，PT控制DC-DC變換器會出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，破壞變換器的穩(wěn)態(tài)輸出特性，同時瞬態(tài)響應(yīng)速度較慢，因此，此前對PT控制變換器的研究和應(yīng)用主要集中于DCM模式[8-11]。鑒于PT控制運用于傳統(tǒng)DC-DC變換器時的局限性，對其進行了一些改進，研究了一種新型的脈沖序列控制電感電流偽連續(xù)導電模式PCCM（Pseudo Continuous Conduction Mode）Buck變換器。PT控制PCCM變換器在繼承DCM變換器技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，工作范圍得到了擴展，為PT控制策略應(yīng)用于大功率場合提供一種較理想的解決方案。

介紹PT控制PCCM變換器的基本原理和工作過程，進行仿真研究和基于DSP的硬件設(shè)計，獲得實驗結(jié)果。PT控制DCM Buck變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PT控制DCM Buck變換器結(jié)構(gòu)Fig.1Structure of PT controlled DCM Buck converter

1　PT控制PCCM開關(guān)變換器基本原理及工作過程

PCCM模式變換器與傳統(tǒng)的DCM或CCM模式變換器在電路結(jié)構(gòu)上有所不同，即在直流斬波電路的基礎(chǔ)上，在電感兩端并聯(lián)一個續(xù)電流開關(guān)管S2。續(xù)電流開關(guān)管在開關(guān)周期內(nèi)適時導通，此時電感被短接，電感電流將在電感和續(xù)流開關(guān)管組成的小回路內(nèi)接近無損耗的流動，即電感電流在續(xù)電流階段基本保持不變，直至下一個開關(guān)周期到來。PCCM模式Buck變換器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　PT控制PCCM Buck變換器結(jié)構(gòu)Fig.2Structure of PT controlled PCCM Buck converter

PCCM模式開關(guān)變換器在一個開關(guān)周期TS內(nèi)分為TS1、TS2、TS3三個工作階段，如圖3所示。

圖3　PCCM Buck變換器電感電流波形Fig.3InductorcurrentwaveformofPCCMBuckconverter

（1）TS1階段：主開關(guān)管S1導通，續(xù)流開關(guān)管S2和二極管VD關(guān)斷，電感電流上升。

（2）TS2階段：S1和S2關(guān)斷，VD導通，電感電流下降，但與DCM模式不同的是電感電流不會下降到零。

（3）TS3階段：S1和VD關(guān)斷，S2導通，電感被短接，電流將在S2與電感組成的回路里流動，保持TS3階段起始的電流值，直到下一個開關(guān)周期開始，其中TS1+TS2+TS3=TS，TS恒定不變。

可見，這種新型模式開關(guān)變換器的電感電流波形連續(xù)，但其工作過程更接近于DCM模式。與DCM變換器相比，由于電感電流裕值大于零，PCCM變換器在同等工作條件下，一個開關(guān)周期內(nèi)能夠傳遞更多的能量，因此更適用于功率較大的應(yīng)用場合。

在主開關(guān)管S1動作周期TS1，采用與電壓型脈沖序列控制相同的控制策略，在此設(shè)高能脈沖PH與低能脈沖PL占空比分別為DPH和DPL，其中1>DPH> DPL>0；脈沖序列控制PCCM變換器的工作過程為：在開關(guān)周期TS起始階段采集變換器輸出電壓U0與預(yù)先設(shè)定的基準電壓Uref進行比較，若U0

圖4　PT控制PCCM Buck變換器的脈沖規(guī)律Fig.4Pulse control law of PT controlled PCCM Buck converter

穩(wěn)態(tài)工作時，控制器將產(chǎn)生一系列由PH和PL組成的循環(huán)脈沖序列，以及相應(yīng)的續(xù)電流開關(guān)管S2控制脈沖，通過這些脈沖組合來維持輸出電壓穩(wěn)定。設(shè)一個循環(huán)周期內(nèi)PH與PL的數(shù)量比為μ，由于PH作用于開關(guān)周期內(nèi)，負載端從電源端獲取能量較PL作用時更多，所以負載較大時，μ值較大，反之較小，控制器以此來調(diào)節(jié)變換器的能量傳遞。

2　PT控制PCCMBuck變換器Matlab仿真分析

本研究利用Matlab仿真軟件Simscape模塊，搭建邏輯數(shù)字電路對PT控制PCCM Buck變換器進行仿真。仿真參數(shù)為：輸入電壓Uin=15V；輸出電壓U0=5 V；開關(guān)周期TS=50 μs；負載電阻R=8 Ω；電感L=100 μH；電容C=470 μF；PH占空比DPH=0.3；PL占空比DPL=0.1；基準電流Iref=0.5 A。得出的變換器工作波形如圖5所示，圖中波形從上到下依次為：電感電流IL，輸出電壓U0，S1控制脈沖UP1，S2控制脈沖UP2。由圖5可知，變換器輸出電壓穩(wěn)定于基準電壓附近，此時一個PH脈沖和一個PL脈沖組成脈沖序列，即μ=1。

圖5　PT控制PCCM Buck變換器工作波形（R=8 Ω）Fig.5Waveform of PT controlled PCCM Buck converter（R=8 Ω）

在相同的電路參數(shù)下，PT控制DCM變換器的工作波形如圖6所示，從上到下依次為：電感電流波形IL，輸出電壓U0，主管S1控制脈沖波形UP。對比圖5和圖6可知，在相同負載條件下，DCM變換器輸出電壓已經(jīng)低于基準電壓，控制脈沖全為高能脈沖PH時仍不能使變換器穩(wěn)定工作，此時μ=∞。

圖6　PT控制DCM Buck變換器工作波形（R=8 Ω）Fig.6Waveform of PT controlled DCM Buck converter（R=8 Ω）

當其他參數(shù)不變，負載電阻分別為20 Ω和6 Ω時，PCCM變換器的工作波形如圖7、圖8所示。對比分析圖7和圖8波形可知，PCCM工作模式在負載電阻較大或較小時仍然能正常工作，具有較寬的工作范圍；且在負載較重（即R較?。r，高能脈沖PH與低能脈沖PL數(shù)量之比μ值較大，符合預(yù)期理論分析。

3　基于DSP的PCCM變換器硬件設(shè)計

設(shè)計基于TMSF28335型高速DSP的PT控制PCCM模式Buck變換器實驗系統(tǒng)，將硬件設(shè)計與程序設(shè)計相結(jié)合實現(xiàn)相關(guān)控制原理和工作過程。程序設(shè)計方面主要以CC Studio v3.3為軟件設(shè)計平臺，采用C語言和匯編語言為基礎(chǔ)進行編程；硬件方面主要是運用光耦、模擬比較器、運算放大器等設(shè)計電路變量的采樣電路以及DC-DC變換器開關(guān)管的驅(qū)動電路[12-13]。

圖7　PT控制PCCM Buck變換器工作波形（R=20 Ω）Fig.7Waveform of PT controlled PCCM Buck converter（R=20 Ω）

圖8　PT控制PCCM Buck變換器工作波形（R=6 Ω）Fig.8Waveform of PT controlled PCCM Buck converter（R=6 Ω）

硬件設(shè)計基本結(jié)構(gòu)如圖9所示，圖中IL0是通過電流傳感器采集得到的一個新的電流波形，與真實的電感電流波形變化規(guī)律一致，從而能夠送給DSP進行A/D轉(zhuǎn)換。將變換器輸出電壓U0經(jīng)過A/D調(diào)理電路（主要作用為保護A/D轉(zhuǎn)換芯片）處理之后送入DSP的A/D轉(zhuǎn)換輸入接口進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；通過電流傳感器將原電路與A/D調(diào)理電路隔離，并將IL轉(zhuǎn)化為IL0送給A/D調(diào)理電路，最終轉(zhuǎn)換成DSP允許接入的電壓信號（0～3.3 V），送給DSP的A/D轉(zhuǎn)換端口，轉(zhuǎn)化為數(shù)字值。DSP輸出的控制脈沖則通過光耦（6N317，HP3120）與主電路隔離，確?？刂齐娐放c主電路相互不干擾，并實施對開關(guān)管的驅(qū)動。

圖9　硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.9Structure diagram of hardware design

程序流程框圖如圖10所示，運用無限for循環(huán)語句產(chǎn)生固定的開關(guān)周期TS，在一次循環(huán)內(nèi)將一個開關(guān)周期分為TS1、TS2和TS3三個階段。首先定時器輸出開始脈沖，TS1階段開始，控制器對采樣得到的DC-DC變換器輸出電壓U0進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量M存于寄存器中，調(diào)取M與基準電壓Uref轉(zhuǎn)換所得的預(yù)設(shè)數(shù)字量Mref進行比較，若M

4　實驗驗證

硬件采用與圖5相同的參數(shù)，得到的波形如圖11和圖12所示，分別為主管S1控制脈沖UP1，電感電流IL，輸出電壓U0和輸出紋波Ur的波形。

圖11中波形從上到下分別為控制脈沖UP1和電感電流IL波形。由圖11可知，當輸出功率為3.125 W時，高能脈沖與低能脈沖個數(shù)之比為1；由圖12可知，輸出電壓為U0=5 V，紋波Ur=100 mV，與仿真基本一致，證明該方案切實可行。

5　結(jié)論

研究PT控制PCCM變換器，介紹其基本原理和工作過程，進行了仿真分析，以及基于DSP的硬件設(shè)計和實驗研究。PT控制PCCM變換器工作穩(wěn)定，帶負載能力相比于DCM變換器有顯著提高，電源系統(tǒng)性能得到有效改善。

圖10　程序流程Fig.10Flow chart of program

圖11　PT控制PCCM Buck變換器控制脈沖和電感電流波形Fig.11Control pulse and inductor current of PT controlled PCCM Buck converter

圖12　PT控制PCCM Buck變換器輸出電壓和紋波Fig.12Output voltage and voltage ripple of PT controlled PCCM Buck converter

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Study on pulse train controlled pseudo-continuous conduction mode DC-DC converter based on DSP

YUE Cheng，QIN Ming，WANG Yaoqiang
（School ofElectrical Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Pulsetrain（PT）controltechnologyappliedtodiscontinuousconductionmode（DCM）DC-DCconverterhasanidealperformance，butforcontinuousconductionmode（CCM)），itmayleadtosomecontrolproblems.SotheloadcapacityofPTcontrolledconverterisinsufficient. In order to solve this problem，a new PT controlled pseudo-continuous conduction mode（PCCM）converter is studied in this paper.It can improve the load capacity of converter by combining the new circuit topology with PT control technology.The principle of PT controlled PCCM converter is introduced and the waveforms of MATLAB simulations are presented in this paper.Then the hardware circuit design based onDSPandtheexperimentresultsaregiventoprovetheinterrelatedconclusion.

pulse train；pseudo-continuous conduction mode；DC-DC converter

TG434.1

A

1001－2303（2015）11－0021-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.05

2015-04-23

國家自然科學基金資助項目（51207142）

岳誠（1990—），男，河南信陽人，在讀碩士，主要從事直流開關(guān)電源控制方面的研究工作。