CN110289754A - 一种Buck电路的快速起动控制方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Buck电路的快速起动控制方法及***。本发明提供的控制方法及***，能够控制Buck电路的开关在起动初始时间段即全导通时间段内占空比为1，使输出电压以最快的速率上升并给电容充电，然后控制Buck电路的开关在全截止时间段内占空比为0，使输出电压在保持上升的同时稳定在期望值。采用本发明提供的控制方法及***，能够有效减小Buck电路起动过程中输出电压产生的过冲和振荡，缩短Buck电路的起动时间。
Description
技术领域
本发明涉及开关变换器领域，特别是涉及一种Buck电路的快速起动控制方法及***。
背景技术
随着半导体功率器件技术的发展，使得开关变换器广泛应用在航空、工业、低压电器和军事等领域。使用脉冲宽度调制的开关变换器通常需要几十个到几百个毫秒才能完成起动，而在某些对起动时间有严格要求的应用场合，如在紧急情况下，通常要求大功率激光电源、战机和舰艇上搭载的火控雷达等使用的开关变换器能够在几个到十几个毫秒内投入工作。此外漏电保护器在规定漏电流下的最长动作时间为40毫秒，进行直流断路器短路瞬动保护特性测试时，要求直流断路器在0.1s内完成脱扣，就要求其中使用的开关变换器需要在规定时间内完成电源启动、信号采集分析、触发脱扣等动作。因此，如何使开关变换器快速起动，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种Buck电路的快速起动控制方法及***，能够有效减小Buck电路起动过程中输出电压产生的过冲和振荡，缩短Buck电路的起动时间。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种Buck电路的快速起动控制方法，所述控制方法包括：
获取步长的初始值、全导通时长t1的初始值、全截止时长t2的初始值和Buck电路的拓扑参数；
将所述拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)，所述全导通电压模型为Buck电路的开关处于导通状态时电容电压的表达式，全导通电感电流模型为Buck电路的开关处于导通状态时电感电流的表达式；
将所述拓扑参数代入全截止电容电压模型和全截止电感电流模型，获得Buck电路在t2时刻的电容电压值U′c(t2)和电感电流值i′L(t2)，所述全截止电压模型为Buck电路的开关处于截止状态时电容电压的表达式，全截止电感电流模型为Buck电路的开关处于截止状态时电感电流的表达式；
判断是否满足条件：且获得第一判断结果，其中，Uc(∞)表示电容电压稳态值，iL(∞)表示电感电流稳态的平均值，ΔU∞表示输出电压误差阈值，Δi∞表示电感电流误差阈值；
当所述第一判断结果表示是时，控制所述Buck电路的开关在[0,t1]时间段内保持导通状态，在(t1,t2]时间段内保持截止状态；
当所述第一判断结果表示否时，根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长，返回所述“将所述拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)”。
一种Buck电路的快速起动控制***，所述控制***包括：
参数获取模块，用于获取步长的初始值、全导通时长t1的初始值、全截止时长t2的初始值和Buck电路的拓扑参数；
全导通参数确定模块，用于将所述拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)，所述全导通电压模型为Buck电路的开关处于导通状态时电容电压的表达式，全导通电感电流模型为Buck电路的开关处于导通状态时电感电流的表达式；
全截止参数确定模块，用于将所述拓扑参数代入全截止电容电压模型和全截止电感电流模型，获得Buck电路在t2时刻的电容电压值Uc(t2)和电感电流值iL(t2)，所述全截止电压模型为Buck电路的开关处于截止状态时电容电压的表达式，全截止电感电流模型为Buck电路的开关处于截止状态时电感电流的表达式；
第一判断模块，用于判断是否满足条件：且获得第一判断结果，其中，Uc(∞)表示电容电压稳态值，iL(∞)表示电感电流稳态的平均值，ΔU∞表示输出电压误差阈值，Δi∞表示电感电流误差阈值；
控制模块，用于当所述第一判断结果表示是时，控制所述Buck电路的开关在[0,t1]时间段内保持导通状态，在(t1,t2]时间段内保持截止状态；
更新模块，用于当所述第一判断结果表示否时，根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的Buck电路的快速起动控制方法包括：获取步长的初始值、全导通时长t1的初始值、全截止时长t2的初始值和Buck电路的拓扑参数；将拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)；将拓扑参数代入全截止电容电压模型和全截止电感电流模型，获得Buck电路在t2时刻的电容电压值U′c(t2)和电感电流值i′L(t2)；当满足条件：且时，控制所述Buck电路的开关在[0,t1]时间段内保持导通状态，在(t1,t2]时间段内保持截止状态；当第一判断结果表示否时，根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长。本发明提供的控制方法及***，能够控制Buck电路的开关在起动初始时间段即全导通时间段内占空比为1，使输出电压以最快的速率上升并给电容充电，然后控制Buck电路的开关在全截止时间段内占空比为0，使输出电压在保持上升的同时稳定在期望值。采用本发明提供的控制方法及***，能够有效减小Buck电路起动过程中输出电压产生的过冲和振荡，缩短Buck电路的起动时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为Buck电路的闭环控制***原理图；
图2为本发明实施例提供的分段快速起动控制方法的控制原理图；
图3为本发明实施例提供的一种Buck电路的快速起动控制方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种Buck电路的快速起动控制***的结构框图；
图6为本发明实施例提供的Buck电路的输出电压与电感电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种Buck电路的快速起动控制方法及***，能够有效减小Buck电路起动过程中输出电压产生的过冲和振荡，缩短Buck电路的起动时间。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
Buck电路是开关电源中最基本的DC-DC电路之一。目前的Buck电路主要通过采样电路获得误差信号，经过放大与基准电压比较后，再通过PWM发生器得到调制后的PWM信号，使用PWM信号控制开关管的通断，实现Buck电路闭环控制***，Buck电路闭环控制原理如图1所示。
对Buck电路的起动过程进行分析，在一个周期T即[0～t2]时间段内，当开关管导通时，即在导通时间(0～t1)时间段内，Buck电路可以看成是一个LC二阶充电电路，由电源对电感L和电容C进行充电，且L、C初始值为零。对Buck电路分别建立关于Uc(t)、iL(t)的二阶微分方程，求解t1时刻的电容电压Uc(t1)和电感电流iL(t1)，即求电路的零状态响应。除第一个周期导通时属于零状态响应，之后周期内导通时都属于全响应。
根据导通时Buck拓扑原理图建立的二阶微分方程为：
其中，R表示Buck电路的负载，Uin表示输入电压，Uc表示电容两端的电压，即输出电压，C表示电容值，L表示电感值。
方程的特征根为：
令则特解为Uc＝Uin，当Buck电路处于衰减振荡时，其通解公式为式(3)，式(3)中C1和C2表示方程的系数：
Uc(t)＝eαt(C1cosβt+C2sinβt) (3)
则由零状态可知UC(0+)＝UC(0-)＝0，iL(0+)＝iL(0-)＝0，代入数据可求得全导通电容电压模型为：
同理建立关于iL(t)的二阶微分方程，可得全导通电感电流模型：
其中，
在开关管关断时，即全截至时间段(t1～t2)内，Buck电路可看出是一个LC二阶放电电路，且电感L和电容C初始值为t1时刻的电容电压Uc(t1)和t1时刻的电感电流iL(t1)。对Buck电路分别建立关于Uc(t2)、电流iL(t2)的二阶微分方程，求解t2时刻的电容电压Uc(t2)和电感电流iL(t2)，即求电路的零输入响应。根据关断时Buck拓扑原理图建立二阶微分方程为：
同理将UC(0+)＝UC(0-)＝UC(t1)，iL(0+)＝iL(0-)＝iL(t1)代入可求得全截止电容电压模型如式(7)所示，全截止电感电流模型如式(8)所示：
其中，
根据公式(4)与(7)可知此时Buck电路在起动过程中会出现振荡和过冲现象，且需要经过较长的时间才进入稳定状态。
在t2时刻将式(7)、(8)与稳态后的电压Uc(∞)和稳态后的电流iL(∞)联立，即可得到含有t1和t2的方程：
本发明针对Buck电路在起动中出现的振荡、过冲以及起动时间长等现象，提出一种分段快速起动控制方法，如图2所示，在起动的起始时间段，即0～t1时间段内，占空比D＝1，即全导通，使输出电压以最快的速率上升并给电容C充电。在剩余时间段即，t1～t2时刻，占空比D＝0，即全截至，使输出电压在保持上升的同时稳定在输出电压，在t2时刻之后，***进入稳态，起动完成。
图3为本发明提供的一种Buck电路的快速起动控制方法的流程图。如图3所示，所述控制方法包括：
步骤101：获取步长的初始值、全导通时长t1的初始值、全截止时长t2的初始值和Buck电路的拓扑参数。本实施例中，步长的初始值Δt0＝T/10，T表示Buck电路进入稳态后的开关周期。全导通时长t1的初始值为0，全截止时长t2的初始值为0。拓扑参数包括电感值，电容值、负载、稳态电压、稳态电流及稳态开关周期。
步骤102：将所述拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)，所述全导通电压模型为Buck电路的开关处于导通状态时电容电压的表达式，全导通电感电流模型为Buck电路的开关处于导通状态时电感电流的表达式。
步骤103：将所述拓扑参数代入全截止电容电压模型和全截止电感电流模型，获得Buck电路在t2时刻的电容电压值Uc(t2)和电感电流值iL(t2)，所述全截止电压模型为Buck电路的开关处于截止状态时电容电压的表达式，全截止电感电流模型为Buck电路的开关处于截止状态时电感电流的表达式。
步骤104：判断是否满足条件：且获得第一判断结果，其中，Uc(∞)表示电容电压稳态值，iL(∞)表示电感电流稳态的平均值，ΔU∞表示输出电压误差阈值，Δi∞表示电感电流误差阈值。本实施例中，ΔU∞＝0.001，Δi∞＝0.001。
当所述第一判断结果表示是时，执行步骤105。
当所述第一判断结果表示否时，执行步骤106，返回所述步骤102。
步骤105：控制所述Buck电路的开关在[0,t1]时间段内保持导通状态，在(t1,t2]时间段内保持截止状态。
步骤106：根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长。
图4为本发明提供的根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长的流程图。如图4所示，根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长，具体包括：
判断是否满足条件：U′c(t2)＜Uc(∞)，获得第二判断结果。
当所述第二判断结果表示是时，判断是否满足条件：i′L(t2)≤iL(∞)，获得第三判断结果。
当所述第三判断结果表示是时，根据公式：t1′＝t1+Δt，更新全导通时长，其中，t1′表示更新后的全导通时长，t1表示更新前的全导通时长，Δt表示当前的步长。
当所述第三判断结果表示否时，根据公式：t2′＝t2+Δt，更新全截止时长，其中，t2′表示更新后的全截止时长，t2表示更新前的全截止时长。
当所述第二判断结果表示否时，判断是否满足条件：U′c(t2)＞Uc(∞)且获得第四判断结果。
当所述第四判断结果表示是时，判断是否满足条件：i′L(t2)≤iL(∞)且获得第五判断结果。
当所述第五判断结果表示是时，根据公式：Δt′＝Δt/2，更新步长，其中，Δt′表示更新后的步长，Δt表示更新前的步长。
根据公式：t2′＝t2-Δt′，更新全截止时长，其中，t2′表示更新后的全截止时长，t2表示更新前的全截止时长。
当所述第五判断结果表示否时，根据公式：Δt′＝Δt/2，更新步长，并根据公式：t1′＝t1-Δt′，更新全导通时长，其中，t1′表示更新后的全导通时长，t1表示更新前的全导通时长。
当所述第四判断结果表示否时，判断是否满足条件：i′L(t2)＞iL(∞)且获得第六判断结果。
当所述第六判断结果表示是时，根据公式：Δt′＝Δt/2，更新步长，其中，Δt′表示更新后的步长，Δt表示更新前的步长，并根据公式：t1′＝t1-Δt′，更新全导通时长，其中，t1′表示更新后的全导通时长，t1表示更新前的全导通时长。
当所述第六判断结果表示否时，判断是否满足条件：i′L(t2)＜iL(∞)且获得第七判断结果。
当所述第七判断结果表示是时，根据公式：Δt′＝Δt/2，更新步长，其中，Δt′表示更新后的步长，Δt表示更新前的步长，并根据公式：t2′＝t2-Δt′，更新全截止时长，其中，t2′表示更新后的全截止时长，t2表示更新前的全截止时长。
图5为本发明提供的一种Buck电路的快速起动控制***的结构框图。图5所示，所述控制***包括：
参数获取模块201，用于获取步长的初始值、全导通时长t1的初始值、全截止时长t2的初始值和Buck电路的拓扑参数；
全导通参数确定模块202，用于将所述拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)，所述全导通电压模型为Buck电路的开关处于导通状态时电容电压的表达式，全导通电感电流模型为Buck电路的开关处于导通状态时电感电流的表达式；
全截止参数确定模块203，用于将所述拓扑参数代入全截止电容电压模型和全截止电感电流模型，获得Buck电路在t2时刻的电容电压值Uc(t2)和电感电流值iL(t2)，所述全截止电压模型为Buck电路的开关处于截止状态时电容电压的表达式，全截止电感电流模型为Buck电路的开关处于截止状态时电感电流的表达式；
第一判断模块204，用于判断是否满足条件：且获得第一判断结果，其中，Uc(∞)表示电容电压稳态值，iL(∞)表示电感电流稳态的平均值，ΔU∞表示输出电压误差阈值，Δi∞表示电感电流误差阈值；
控制模块205，用于当所述第一判断结果表示是时，控制所述Buck电路的开关在[0,t1]时间段内保持导通状态，在(t1,t2]时间段内保持截止状态；
更新模块206，用于当所述第一判断结果表示否时，根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长。
下面以输入电压Uin＝450V，输出电压为Uo＝225V，输出电流Io＝50A的Buck电路为例，介绍本发明的具体实施过程，其中，Buck电路的稳态开关频率为f＝10kHz，R＝4Ω，稳态占空比D＝0.5，纹波电压ΔU小于1％，L＝1500μH，C＝220μF：
(1)获取R、L、C等参数值，初始步长Δt0＝T/10，全导通时长t1的初始值为0，全截止时长t2的初始值为0。
(2)将t1的初始值和t2的初始值代入公式(4)和(5)，计算t1时刻的电压Uc(t1)和电流值iL(t1)，将t2的初始值代入公式(7)和(8)，计算t2时刻的电压U′c(t2)和电流值i′L(t2)。
(3)通过比较U′c(t2)与Uc(∞)的差值及i′L(t2)与iL(∞)的差值，确定是否需要更新步长、t1和t2。
(4)若是，根据更新后的步长计算t1和t2，返回步骤(2)计算U′c(t2)、Uc(t1)、iL(t1)和i′L(t2)。
否则，输出得到的电压、电流以及t1和t2值，并输出计算步数。
此处需要注意的是，在t2时刻后与稳态占空比控制之间的衔接问题，通过改变导通的时间分布，如先导通1/4个占空比，关断后再导通1/4个占空比，而不改变周期。Buck电路的输出电压和电感电流的仿真结果如图6所示。由图6可知，本发明提供的分段快速起动控制方法对Buck电路的起动控制效果非常好，在1.1个毫秒内使输出电压达到稳定，响应速度快，且纹波电压小于1％，实现了Buck电路无振荡与无过冲的快速起动，该方法适用于对起动时间有严格要求的场合，并能够推广至其他使用脉冲宽度调制的开关变换器。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种Buck电路的快速起动控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
获取步长的初始值、全导通时长t1的初始值、全截止时长t2的初始值和Buck电路的拓扑参数；
将所述拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)，所述全导通电压模型为Buck电路的开关处于导通状态时电容电压的表达式，全导通电感电流模型为Buck电路的开关处于导通状态时电感电流的表达式；
将所述拓扑参数代入全截止电容电压模型和全截止电感电流模型，获得Buck电路在t2时刻的电容电压值U′c(t2)和电感电流值i′L(t2)，所述全截止电压模型为Buck电路的开关处于截止状态时电容电压的表达式，全截止电感电流模型为Buck电路的开关处于截止状态时电感电流的表达式；
判断是否满足条件：且获得第一判断结果，其中，Uc(∞)表示电容电压稳态值，iL(∞)表示电感电流稳态的平均值，ΔU∞表示输出电压误差阈值，Δi∞表示电感电流误差阈值；
当所述第一判断结果表示是时，控制所述Buck电路的开关在[0,t1]时间段内保持导通状态，在(t1,t2]时间段内保持截止状态；
当所述第一判断结果表示否时，根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长，返回所述“将所述拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)”。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长，具体包括：
判断是否满足条件：U′c(t2)＜Uc(∞)，获得第二判断结果；
当所述第二判断结果表示是时，判断是否满足条件：i′L(t2)≤iL(∞)，获得第三判断结果；
当所述第三判断结果表示是时，根据公式：t1′＝t1+Δt，更新全导通时长，其中，t1′表示更新后的全导通时长，t1表示更新前的全导通时长，Δt表示当前的步长。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当所述第三判断结果表示否时，根据公式：t2′＝t2+Δt，更新全截止时长，其中，t2′表示更新后的全截止时长，t2表示更新前的全截止时长。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，当所述第二判断结果表示否时，判断是否满足条件：U′c(t2)＞Uc(∞)且获得第四判断结果；
当所述第四判断结果表示是时，判断是否满足条件：i′L(t2)≤iL(∞)且获得第五判断结果；
当所述第五判断结果表示是时，根据公式：Δt′＝Δt/2，更新步长，其中，Δt′表示更新后的步长，Δt表示更新前的步长；
根据公式：t2′＝t2-Δt′，更新全截止时长，其中，t2′表示更新后的全截止时长，t2表示更新前的全截止时长。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述第五判断结果表示否时，根据公式：Δt′＝Δt/2，更新步长；
根据公式：t1′＝t1-Δt′，更新全导通时长，其中，t1′表示更新后的全导通时长，t1表示更新前的全导通时长。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，当所述第四判断结果表示否时，判断是否满足条件：i′L(t2)＞iL(∞)且获得第六判断结果；
当所述第六判断结果表示是时，根据公式：Δt′＝Δt/2，更新步长，其中，Δt′表示更新后的步长，Δt表示更新前的步长；
根据公式：t1′＝t1-Δt′，更新全导通时长，其中，t1′表示更新后的全导通时长，t1表示更新前的全导通时长。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，当所述第六判断结果表示否时，判断是否满足条件：i′L(t2)＜iL(∞)且获得第七判断结果；
当所述第七判断结果表示是时，根据公式：Δt′＝Δt/2，更新步长，其中，Δt′表示更新后的步长，Δt表示更新前的步长；
根据公式：t2′＝t2-Δt′，更新全截止时长，其中，t2′表示更新后的全截止时长，t2表示更新前的全截止时长。
8.一种Buck电路的快速起动控制***，其特征在于，所述控制***包括：
参数获取模块，用于获取步长的初始值、全导通时长t1的初始值、全截止时长t2的初始值和Buck电路的拓扑参数；
全导通参数确定模块，用于将所述拓扑参数代入全导通电容电压模型和全导通电感电流模型，获得Buck电路在t1时刻的电容电压值Uc(t1)和电感电流值iL(t1)，所述全导通电压模型为Buck电路的开关处于导通状态时电容电压的表达式，全导通电感电流模型为Buck电路的开关处于导通状态时电感电流的表达式；
全截止参数确定模块，用于将所述拓扑参数代入全截止电容电压模型和全截止电感电流模型，获得Buck电路在t2时刻的电容电压值Uc(t2)和电感电流值iL(t2)，所述全截止电压模型为Buck电路的开关处于截止状态时电容电压的表达式，全截止电感电流模型为Buck电路的开关处于截止状态时电感电流的表达式；
第一判断模块，用于判断是否满足条件：且获得第一判断结果，其中，Uc(∞)表示电容电压稳态值，iL(∞)表示电感电流稳态的平均值，ΔU∞表示输出电压误差阈值，Δi∞表示电感电流误差阈值；
控制模块，用于当所述第一判断结果表示是时，控制所述Buck电路的开关在[0,t1]时间段内保持导通状态，在(t1,t2]时间段内保持截止状态；
更新模块，用于当所述第一判断结果表示否时，根据当前的步长更新全导通时长或全截止时长。
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