摘 要

电流模式控制目前广泛应用于PWM DC/DC变换器中，虽然电流模式控制的系统性能良好，但由于该控制系统的反馈环由内电流环与外电压环组成，因此，整体系统的稳定运行需要两个闭环都能稳定工作。

本文详细对工作于连续导通模式下的峰值电流模式Boost型DC/DC变换器的工作原理进行了分析，并从电路结构、响应速度等方面分析对比了电压与电流模式控制的优缺点。从建立系统模型出发，主要深入研究了内电流环的稳定性问题，利用离散时间法分析了当占空比大于0.5时产生次谐波振荡现象的原因以及外加斜坡补偿信号后的环路稳定性。基于状态空间平均法得到系统的小信号模型，推导出系统各量之间的传递函数，并基于内电流环域与域传递函数，进一步推出了独立于电路拓扑的内环增益表达式。

最后，利用仿真软件对各传递函数进行了幅频响应分析，得到的Bode图很好的验证了理论分析。并对在有无斜坡补偿、占空比大小不同时的整体变换器电路进行了仿真，得到电感电流以及输出电压的仿真波形也符合理论分析的结果。

关键词：电流模式控制，稳定性分析，传递函数，斜坡补偿

Abstract

Current-mode control is a wildly adopted method for pulse-width modulated (PWM) DC/DC converters. The performance of current-mode control is excellent, because the system consists of an inner-current loop and an outer-voltage loop, to ensure stable operation of converter, all the sequential loops in the circuit should be stable.

In this paper, the basic theory of peak-current mode boost DC/DC converter which operates in continuous conduction mode (CCM) is studied and compared with voltage-mode controlled converter. The stability of whole system is analyzed according to the system model, and the stability of inner-current loop is mainly discussed. The inner-current loop dynamics of peak current-mode controlled boost DC/DC converter operating in CCM is investigated using discrete-time analysis. The reason why sub-harmonic oscillation occurs with duty ratio above 0.5 is analyzed, by adding a compensating ramp, the stability of feedback loop is restored. To study the behavioral of the system, state space approach is used to study the small signal behavior of the converter. Taking the discrete nature of the inner-current loop into account, this paper derives the closed-loop transfer function for whole system, especially for current loop in z-domain, and then transform into s-domain. A general expression for the inner-loop gain, independent of the converter topology, is also derived.

Finally, the frequency response of transfer function is obtained using bode plot from Matlab/Simulink. Simulation and experimental results which include inductor current waveform with and without compensation ramp, output voltage waveform are presented for a peak-current mode controlled boost converter. The theoretical and experimental results were in good agreement, confirming the validity of the transfer functions derived and theoretical analysis.

Keywords: Current mode control, stability analysis, transfer function, slope compensation.

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 开关电源技术概述 1

1.2 开关电源发展展望 1

1.3 论文的研究目的和意义 2

1.4 论文的组织结构 3

第二章 DC/DC变换器的拓扑电路及其原理 4

2.1 Buck变换器 4

2.2 Boost变换器 5

1.连续导通模式 5

2.断续导通模式 7

3.Boost变换器电感电流临界连续条件 10

2.3 Buck-Boost变换器 11

第三章 开关电源的控制方式 12

3.1 反馈控制 12

3.2 电压模式控制 12

3.3 电流模式控制 13

3.3.1 峰值电流模式控制（Peak Current Mode Control : PCMC） 14

3.3.2 平均电流模式控制（Average Current Mode Control : ACMC） 16

3.4 DC/DC变换器的调制方式 17

3.4.1 PWM（Pulse Width Modulation） 17

3.4.2 PFM（Pulse Frequency Modulation） 18

3.4.3 PFM-PWM混合 19

第四章 峰值电流模式BOOST型DC/DC变换器稳定性分析 20

4.1 电流内环稳定性分析 20

4.1.1 电感峰均电流的误差 20

4.1.2 次谐波振荡 21

4.1.3 斜坡补偿原理 23

4.2 系统稳定性分析 26

4.2.1 电流模式DC/DC变换器的建模方法 26

4.2.2 电流模式控制的DC/DC变换器小信号建模分析 27

4.3 仿真验证与分析 34

4.3.1 传递函数的幅频响应分析 34

4.3.2 PCMC Boost型DC/DC变换器Simulink模型 36

4.3.3 斜坡补偿前后的电感电流与输出电压的波形 37

4.3.4 扰动前后的工作波形分析 39

第五章 总结与展望 41

参考文献 42

致谢 44

第一章 绪论

1.1 开关电源技术概述

电源技术的发展是现代通信领域、航空航天技术、计算机行业等高科技领域电子设备发展的强有力的支撑，正因如此，内部电源系统性能的优劣从一定程度上决定着整个用电设备能否安全可靠地工作。近年来，随着便携式设备的逐渐推广以及半导体工业的不断突破，电源管理也正不断追求更为可靠、功能齐全、尺寸与重量小的电源，以满足逐渐复杂化的电源系统的需求^[1]。

开关电源的发展历史要追溯到上世纪中叶^[2]，虽然开关电源的发展时间短于线性电源，但开关电源以其高效率、体积小、重量轻逐渐在电源市场中占据主导。现代电源的发展方向主要为线性电源与开关电源。其中，线性电源相比开关电源技术，线性电源技术虽研究的时间更长，技术方面相对更为成熟，且该电源技术的电路结构简单，因而电源成本低，对于输出电压的性能而言，电压纹波小，稳定性能好。但其缺点也十分明显，需要通过使用工频变压器，将外部电源与电网隔离以减小电源内部波动对电网传输电压的影响，且功率管的功耗较大，导致电源的体积大而效率偏低。线性电源与开关电源本质区别在于其中使用的电力电子器件工作在不同的状态：在线性电源中，电力电子器件通常工作在放大状态；而开关电源的器件工作于开关状态。开关电源的优势在于，当在开关管器件两端施加电压使其导通时，器件的正向导通电压近似为零；而当开关器件关断时，此时流过其的电流却很小。因此，电力电子器件无论是工作在导通状态或是关断状态，其消耗的功率近似为零，从而降低了损耗，提高了整体系统能量的传递效率^[3]。

近年来，随着便携式设备应用逐渐深入人们的日常生活，开关电源以其体积小重量轻的优势逐渐成为当今电源市场的主力军并成为电源研究的热点，其中的主要部分DC/DC变换器也得到了广泛的研究。DC/DC变换器输入未调制的直流电压，输出恒定或者调制的电压。其中，常用的两种控制方法为电压模式控制与电流模式控制，对于开关电源，电流模式控制因其更好的动态性能、对短路电流的自然保护等特点而使用更为普遍。

1.2 开关电源发展展望

随着半导体工艺的进步，提高了功率器件的瞬态响应和可靠性，降低了器件的导通损耗，这提高了开关电源系统运行的稳定性、电磁兼容性以及效率，有助于提升系统的动态响应能力，提高工作频率^[4]。