自适应电压定位控制策略

电力电子课程设计报告电力电子课程设计报告 一种混合式自适应电压定位控制策略及12V 电压调节模块拓扑 院院系：系：信息工程学院 班班级：级： 11 级自动化 3 班 姓姓名：名：李俊烨 学学号：号：2011551833 指导老师：指导老师：谭平安 日日期：期：2014 年 4 月 1 目录目录 序言· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·(3) 一 混合式自适应电压拓扑原理· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·(3) 二 电感设计· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · （8） 三 仿真设计· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·(9) 四 心得与体会· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (11) 五 参考文献· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (11) 2 序言序言 微处理器（CPU）的飞速发展，使得其对供电电源、电压调节模块（ Voltage Regulator Module，VRM）的要求也越来越高。VRM 的一个重要问题就是负载跳 变时的输出电压调整，为了降低负载跳变时的输出电压过冲或跌落，传统的增加 输出滤波电容方法不仅会提升成本，而且降低功率密度。为改善动态响应而不增 加额外的输出电容，许多控制方法及电路结构被提出，本文课程设计提出了一种 基于较大电感的混合式 AVP 控制策略及其拓扑，结合非线性控制方法，解决了 VRM 中效率和瞬态响应不能兼顾的问题， 在不影响瞬态响应性能的前提下，大大 提高电路的稳态效率。 一、混合式自适应电压拓扑原理一、混合式自适应电压拓扑原理 1.混合式自适应电压定位拓扑结构 采用两相交错并联技术，相对传统的两相交错 VRM，该拓扑引入了一个二极管 VD1，MOS 管 Sa 以及一个辅助电感 Ls；在传统的 AVP 控制基础上结合非线性 控制策略，可以获得高的稳态效率和良好的瞬态响应。 3 2.过程分析 在 t0 之前，无论是稳态还是负载 step up 时，Vo 始终保持在 AVP 的窗口范围之内，因此，系统工 作在传统的两相交错同步整流模式下，非线性控制 电路不工作，等效电路如图 4a 所示，此时，Ls 作为 辅助电感，起到辅助抑制电流纹波的作用，每相电 流纹波满足如下 在 t0 时刻，比较器检测到 Vo 高于上限 VH，辅 助开关管 Sa 开通，Ls 中的电流在 Vo 的作用下下降， 变化斜率如下式所示 4 在 t1 时刻，辅助电感 Ls 中的电流降到零，并且在 Vo 的作用下反向，电流变 化斜率式同 t0 时刻，此时，输出电容通过 Ls 和 Sa 放电，输出电压 Vo 下降 在 t2 时刻，比较器检测到 Vo 低于上限 VH，Sa 关断，L1、L2 以及 Ls 中的电 流均通过二极管 VD1 反馈到电源端，直到 t3。电流变化斜率分别为 在 t3 时刻， 辅助电感 Ls 中的反向电流降到零， 由于 Va 仍被钳位在 VinVD1， 因此辅助电感电流再次正向上升，直到 t4 时刻比较器再次检测到 Vo 超过电压 上限 VH。如此循环使得相电感中的能量反馈到电源并将 Vo 电压控制在窗口限 制中。 3. 各时刻等效电路图 T0 以前 5 T0 时刻 T1 时刻 T2 时刻 6 T3 时刻 3.混合式 AVP 控制策略 为了保证 VRM 在采用大电感之后的瞬态响应，采用了混合式 AVP 控制方法，即 传统的 AVP 控制与非线性控制的结合。在 Vo 不高于 VH 时传统的 AVP 控制策 略工作，在 Vo 高于 VH 时采用非线性控制。该拓采用的非线性控制则仅由一个 比较器和两个逻辑门组成，且无需辅助管上管的自举措施，控制简单，所需原件 少，如图 7 所示。当 Vo 低于 VH 之时，Comp 输出低电平，辅助管 Sa 关断，与 非门输出高，PWM 输出由线性系统控制。而在负载下跳时，当 Vo 高于 VH 之时， Comp 端输出高电平，Sa 开通，主开关管的驱动信号被封锁，使输出电压迅速回 落到 AVP 窗口电压范围之内。当检测的 Vo 小于 VH 时，辅助管再次关断。通过 简单的组合即实现了对输出电压的线性非线性混合控制。 7 三、电感设计三、电感设计 主电感及辅助电感设计主电感及辅助电感设计 按照临界电感设计方法，在负载 step up 和 step down 时，由于占空比饱 和裕量的不同，所计算出来的临界电感值是不同的，在电流型模式中，两个临界 电感值分别为 为了在两个瞬态过程中都能避免占空比饱和的问题，实际的电感取值必须小 于两者中的最小值，而对于 12V 或更高输入电压的 VRM，由于占空比较小，两 个临界电感值之间相差较大，对于一个 12V-1.6V 的 VRM，step up 时的临界电 感值 Lci_step_up 为 step down 时电感值 Lci_step_down 的 6.5 倍，取较小的电 感值对 VRM 的稳态效率产生了较大的影响。因此，本文提出的混合式 AVP 控制 方法中，放弃 AVP 对 step down 时瞬态响应的直接控制，而将主电感设在几倍 于 Lci_step_down，同时小于 Lci_step_up，将会有可观的效率提升空间，并且 不影响负载 step up 时的瞬态响应。 辅助电感非线性控制对电压尖刺的抑制效果越好。但是在实际应用中，由于 控制逻辑、驱动信号、器件通断等因素的延时，过小的 Ls 会造成输出电压振荡 甚至系统不稳定。一般来说，按照下式计算的 Ls 可以满足瞬态响应和系统稳定 性的需求。 8 三三 仿真设计仿真设计 1. 利用 Matlab 中的 simulink 对该拓扑进行仿真。 仿真图 VRM 模块 9 2.仿真波形 上图为电压 下图为电流 由仿真图可知电压上升到峰值后变的平稳， 有效调节了 电压。 10 四、心得与体会四、心得与体会 本次实验让我们以亲身实践的方法去运用电力电子技术方面的知识，很好地 将书本的理论知识和实践联系起来，很少触及 Simulink 的我们，开始慢慢熟练 使用这一强大的仿真工具，从无到有，这正是学习的过程，也是我们从一无所知 到有实验结果的过程。文章中所提到的 ISL6560 及 ADP3418 这两块芯片由于在 simulink 中找不到相应的模块，使设计在一开始就陷入了麻烦。 实验结果