自适应电压定位控制策略

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

院系：信息工程学院

班级：11级自动化3班

姓名：李俊烨

学号：2011551833

指导老师：谭平安

日期：2014年4月

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)

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

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。

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

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 Vin−VD1，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

T0时刻

T1时刻

T2时刻

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。

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。

1. 利用Matlab中的simulink对该拓扑进行仿真。

仿真图

VRM模块

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。

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。

实验结果较为理想。尽管遇到了上述的问题，但通过查阅相关资料并向他人请教，搭建了相应的模块得到了解决。此次课程设计收获不少，自己的能力得到了锻炼，通过自己动手，结合自己所学的电力电子相关知识，把自己所学的知识运用到了实际中，克服了各种难题，最终达到了要求。

五、参考文献

[1] 王兆安，刘进军，电力电子技术，北京：机械工业出版社，2014年6月。

[2] 袁伟，张军明，钱照明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

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