关键词：开关电源；双环控制；传递函数

Abstract: In this paper, a switch power supply with full-bridge converter is studied, a mathematical model is established. Through analyzing transfer functions of internal current loop and external voltage loop, a design of feedback network is completed, the system stability is guaranteed in theory. By the simulation and experiments, the validity of the design is proved.

Key words: Switch power supply; Double-loop control; Transfer function

1  引言

目前，开关电源由于其小巧、轻便、高效、高稳定性和低成本的特点，广泛应用于便携式电子设备、汽车电子供电系统、数据库供电系统及通讯设备中^[1]。开关电源是一个带有闭环控制的高阶-离散-非线性-时变系统，不能直接应用经典控制理论分析和设计，这给开关调节系统的动态分析和设计带来了很大的困难^[3]。反馈环路在开关电源中最基本的作用是稳定输出电压，开关电源引入反馈后，形成闭环回路，能有效衰减扰动^[4]。开关电源在反馈网络参数设计不合适时会出现输出振荡、瞬态响应性能差等问题，由此可见环路设计质量决定了开关电源的性能。

2  全桥电路系统模型

3  电流控制器及其设计

  根据公式（5）可以作出A_P(s)的波特图，如图9所示。其中A_P(s)空载运行的波特图是曲线①，A_P(s)满载运行的波特图是曲线②。由图可见A_P(s)穿越频率等于22kHz，相位裕度在空载运行时等于26°，在满载运行时等于31°，满载时幅频特性曲线的增益在基波频率f_o处等于25.2dB，在开关频率f_s处等于-23.3dB。高频段的幅频曲线以-40dB/dec的速度下降，抑制高频谐波性能良好，但相位裕度不够大，尤其是空载运行时，容易造成系统空载运行的不稳定。

从图7可以列出系统双环控制的电压环开环控制函数：

公式（6）

设计电压外环基于以下要求：（1）补偿网络的相频特性应有≤90°的超前相位，这是为了使系统相位裕度够大，确保系统的稳定。（2）电压外环的闭环带宽应该远远低于电流内环的带宽，这是为避免电压环与电流环穿越频率接近，造成两个控制环路的相互影响。

5  系统稳定性和动态性能仿真与实验

   图13为全桥电路负载突变时的仿真波形。负载在4.4ms时由空载突变至满载，在11.8ms时由满载突变至空载。突加负载时，系统响应速度变快，输出电压畸变减小，电感电流畸变减小，输出电压有效值几乎不受影响。

图13  负载突变时的仿真波形

图14为负载突变时的实验波形，实验波形可反映出系统动态响应快，负载突变瞬间没有出现输出电压波形振荡现象。

6  结束语

本章对全桥电路进行了系统建模，通过推导系统控制传递函数，分别设计了电流内环和电压外环控制器，并对双环补偿网络的参数进行了优化设计，给出了系统波特图，从理论上保证了系统的稳定性，并通过仿真与实验验证了设计的正确性。