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脉宽调制（PWM）和基于小信号的反馈控制 构成了 DC-DC转换器 的许多商业控制器执行的基础。另外，还有许多大信号方法可供选择。本文旨在 回顾DC-DC开关电源转换器的控制和调制方法以及控制器调谐方法。

传统的控制方法能否最大限度地提高效率？

除了数字信号处理和传感器的不断进步之外， 快速宽带隙开关的发展也激发了新的更高级别的控制。快速处理器和数字信号处理 使功率转换器控制的新计算技术成为可能。传统的控制方法几乎永远不会最大化可用性能。这里的重点是高性能转换器，这是一个快速发展的行业。

转换器拓扑的作用

转换器拓扑充当控制过程中的约束。理论上，在适当的约束下，单一控制方法可以应用于多种电路。数字电子产品的功率调节通常通过 电压调节 来完成。

使用 LED照明 鼓励使用电流调节负载。大多数电池充电器都有 调节电压和电流 的设置。微电网中的直流电源和负载以及数字负载都受益于下垂关系。

所提出的方法不限于这些转换器类型；相反，它们可以与任何DC-DC转换器一起使用。 硬开关转换器、状态反馈控制和大信号调谐 都是重点。

DC-DC转换器的控制目标

表1总结了 DC-DC转换器控制应满足的四种不同类型的目标 。静态和动态条件都是操作必需的一部分。控制并不总是与其他操作需求相关，例如 电磁干扰（EMI）、效率和可靠性 。

故障管理和保护的需求通常是独立处理的。一些 大信号控制器 可以直接管理表1中看似独立的许多要求。表1所示的整套规格均与转换器设计相关。

表1. 具有控制含义的转换器目标。资料来源：IEEE电力电子开放期刊

电感器和电容器 的选择会影响纹波带和转换速率限制。布局和寄生效应都会对 EMI 产生影响。然而，理论上可以定义一个与所有操作变量和转换器参数相关的成本函数J(x)，如方程（1）所示。

(1)

其中ai是权重，x是自变量，fi(x)是x和其他参数的函数。均方根（RMS）电流和磁通（与损耗相关）、输出电压误差和纹波、负载电流的上升时间、器件的峰值电压应力、峰值结温和开关频率变化就是例子。

为了考虑到各种工作点、转换器拓扑和组件考虑因素，功率转换器的多目标优化被表述为几何程序，这是一种凸优化问题。为了提高DC-DC转换器的功率密度，还可以将电磁效应和热管理纳入电气设计中。

类似的术语可以用来定义性能指数，它与成本函数相反。优化问题可以由设计或控制问题形成，并且成本函数必须最小化。

解决时序问题的控制方法

时序问题很容易理解，但在实践中很难解决。需求简化，简单的转换器就很容易解决。然而，随着更多规范细节和不确定性的加入，问题的难度也随之增加。它确实激发了特定的方法。

基于轨迹的控制的目标是将时序问题重新表述为具有状态变量的问题。 另外，快速响应依赖于钳位等专用电路。甚至可以使用额外的开关和设备对转换器进行修改，以实现更快的干扰抑制。

解决时序问题的挑战

由于通用开关时序问题没有简单的解决方案，因此设计人员只能采用可行的方法。这通常会给表1中列出的限制添加两个额外的限制。

转换器的工作状态存在限制。 设置强制性的最小开关频率就是一个典型的例子。控制设计和操作的基础是转换器的简化模型。实现平均模型的小信号线性化是一个典型的例子。

第一个限制降低了时序灵活性，并使问题成为逐周期占空比的问题。第二种导致模型受限控制，这可能会阻止访问转换器的完整动态功能。

影响控制方法的因素

图1显示了 基本反馈和前馈降压转换器控制系统的框图。 为了防止纹波效应，反馈传感块受到频带限制。数字控制需要额外的 信号调节和模数转换器（ADC）。

为了准确的输出调节或跟踪，输出反馈是必要的。控制或电流调节负载都可以受益于电感器电流反馈。输出反馈或状态反馈均可用于控制转换器。

使用输入电压、负载电流或其他数据，前馈作用可以改善干扰抑制、降低音频敏感性和输出阻抗。 为了产生可控开关的栅极信号，控制器驱动调制器。升压转换器中的调制器需要限制器功能。

图1.降压转换器的反馈控制。资料来源：IEEE电力电子开放期刊

小信号控制

小信号控制器有多种用途。 网络分析仪和其他测试工具支持与传统频域设计程序的有用连接。由于需要针对指定的工作点进行设计，小信号控制器具有独特的软启动和浪涌管理、保护管理以及适应广泛负载范围的策略。动态性能的改进是大量研究的主题。

连接到完善的频域设计工具的优点 是小信号模型和调谐的好处。然而，小信号方法和模型没有提供一种系统的方法来运行高达转换速率限制的动态响应，并且没有考虑占空比饱和或电流限制等非线性因素。此外， 小信号控制需要独立的块来实现大信号启动和故障保护。

大信号控制

另一方面， 大信号控制器可以促进看似不兼容的操作状态之间的变化。 转换可以利用转换器的转换速率功能。切换边界和工作点都可以应用于启动和处理故障的问题。

大信号控制器为需要快速动态响应或广泛负载条件的应用提供了有用的替代方案。几何控制可以可视化为涉及启动和故障保护等功能的多段边界。

总而言之， 小信号和大信号方法之间的稳健性和灵敏度问题实际上相当一致。 了解参数对两者都有帮助；前馈对两者都有好处；当模型准确且完整时，模型表现最佳；适应不断变化的环境对双方都有帮助。

总结要点

●由于 快速宽带隙开关、数字信号处理和传感器 的发展，新的、更高级别的功率转换器控制成为可能。

●变换器拓扑结构是控制过程的一个约束，但只要有正确的约束，单一的控制方法就可以应用于多种电路。

● 脉宽调制和基于小信号 的反馈控制通常用于转换器，但也可以使用大信号方法。

●基于分段线性大信号分析的几何控制可以为 高性能DC-DC转换器提供最快的动态响应。

●低成本数字控制使得快速采样和切换边界控制成为可能， 高性能DC-DC转换器可能受益于在线自适应几何控制的使用。

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