DC-DC变换器的动态响应性能研究

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随着电子工业的蓬勃发展,对电源的要求越来越严格,电源的动态响应性能也开始得到了工程师们的重视。其直接原因在于各种电子设备工作频率不断提高,而工作电压不断降低,输入电压和输出负载的大范围变化更为频繁;间接原因是从变换器的动态响应,可以推测出控制系统参数设计的合理程度。 常用于评价动态响应性能的参数有波动幅值、稳定时间、稳态误差等。从时域的角度看,一个典型的动态过渡过程可以分为垂直下降、斜坡下降和电感充电三个阶段,各自受到不同电路参数的影响。 在分析动态过程的产生机理后,相应能够得到一系列的改进对策。从工艺的角度,可以选择更优异的元件参数、改善电路布局;如果仅从电路原理设计的角度,可以改善控制方法,提高工作频率和采用新的电路拓扑。它们各自有其优点,但也有相应的不足,实际中应该根据客户对于性能、价格、体积等方面的要求,进行合理的折衷。 本论文主要从以下两方面进行探讨。 一控制方法的改善,改善对象为源动态响应。基于频域分析的PID调节是当前应用最为广泛的控制环路设计方法。它对于温度漂移、元件离散性带来的稳态误差和负载跳变引起的扰动有很好的抑制性能,但对于输入电压的跳变却需要若干个调整周期。而单周期控制可以将输入电压扰动抑制在一个开关周期内,但是负载调整性能薄弱。本文将两者结合起来,优势互补,使动态调整性能有了较好的提升。 二电路拓扑的改进,改善对象为负载动态响应。提高工作频率是动态性能提高的重要方法,但是受到开关器件非理想特性的限制,工作损耗会随之增大。各种软开关在降低损耗上效果明显,但是控制复杂。本文尝试使用新的电路拓扑,在一个变换器里面使用两个不同的工作频率,高频部分用于提高工作性能,但通过的电流小,所以损耗低;主要的工作电流从低频开关通过,开关频率低,开关损耗也很小。两者的损耗之和比起单独的高频来依然有显著的改善,而性能一致。 两种改进方式均给出了仿真波形和实验数据,以证明理论的正确性。
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