基于平均电流模式的同步Buck数字电源设计研究
2023年电子技术应用第2期
李键文，潘永雄，徐家锐，梁康
广东工业大学 物理与光电工程学院，广东 广州 510006
摘要： 高效率、高开关频率和数字控制是近年来开关电源领域的研究热点。探讨了基于平均电流模式的同步Buck数字电源设计策略，结合理论分析和Matlab/Simulink软件仿真，分析了同步Buck的环路设计条件，详细阐述了两种电压电流双闭环PI补偿器的设计方法，并提出了一种基于电流环简化的电压环设计方法。使用高性能主流MCU芯片STM32G474作为控制核心，利用高分辨率PWM技术实现200 kHz的开关频率，以中断事件触发和状态机运行思想来构建系统软件的架构。仿真和实验结果表明系统具有效率高、动态响应快和鲁棒性强等特点，为数字电源的通用化设计提供了参考。
中圖分類號：TM46
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222980
中文引用格式： 李鍵文，潘永雄，徐家銳，等. 基于平均電流模式的同步Buck數字電源設計研究[J]. 電子技術應用，2023，49(2)：121-126.
英文引用格式： Li Jianwen，Pan Yongxiong，Xu Jiarui，et al. Research on design of synchronous buck digital power supply based on average current mode[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(2)：121-126.
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222980
中文引用格式： 李鍵文，潘永雄，徐家銳，等. 基于平均電流模式的同步Buck數字電源設計研究[J]. 電子技術應用，2023，49(2)：121-126.
英文引用格式： Li Jianwen，Pan Yongxiong，Xu Jiarui，et al. Research on design of synchronous buck digital power supply based on average current mode[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(2)：121-126.
Research on design of synchronous buck digital power supply based on average current mode
Li Jianwen，Pan Yongxiong，Xu Jiarui，Liang Kang
School of Physics and Optoelectronic Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China
Abstract： High efficiency, high switching frequency and digital control are the research hotspots in the field of switching power supply in recent years. In this paper, the design strategy of synchronous buck digital power supply based on average current mode is discussed. Combined with theoretical analysis and Matlab/Simulink software simulation, the loop control design conditions of synchronous buck are analyzed, two design methods of voltage and current double closed-loop PI compensator are described in detail, and a voltage loop control design method based on the simplification of the current loop is proposed. The high-performance mainstream MCU chip STM32G474 is used as the control core, and the high-resolution PWM technology is used to realize a switching frequency of 200 kHz, and the architecture of the system software is constructed with the idea of interrupt event triggering and state machine operation. The simulation and experimental results show that the system has the characteristics of high efficiency, fast dynamic response and strong robustness, which provides a reference for the general design of digital power supply.
Key words : synchronous buck；double closed-loop PI control；average current mode；digital power
0 引言
同步Buck變換器在傳統Buck變換器基礎上結合了同步整流技術，具有效率高、體積小和拓撲結構簡單等優點。同步Buck變換器控制可以采用模擬控制或數字控制兩種方式，相對于傳統模擬控制而言，數字控制具有較強的適應性和靈活性[1]，數字控制的實現要求設計者具備使用高性能數字控制芯片的能力、仿真分析控制算法的能力以及良好的自動控制理論基礎。
文獻[2]詳細介紹了同步Buck數字電源的硬件電路設計，包括主電路器件選型、驅動電路設計和輔助電源電路設計。文獻[3]基于平均電流模式同步Buck數字電源，討論了電壓模式和電流模式下的閉環控制器設計，提出在PI補償器的基礎上增加一個高頻極點以降低系統的高頻噪聲。文獻[4]提出了同步Buck電路的雙閉環PI參數計算方法，對引入補償器后的系統開環傳遞函數按照系統型別進行補償器優化設計。本文在以上研究的基礎上結合理論分析和Matlab/Simulink軟件仿真，分析了同步Buck的環路設計條件，確保變換器在嚴苛條件下仍能穩定運行，詳細闡述了兩種電壓電流雙閉環PI參數設計方法，提出一種基于電流環簡化的電壓環設計方法，提高了數字環路設計的靈活性，并以ST公司的STM32G474處理器為主控芯片，設計了一款基于平均電流模式的同步Buck數字電源，實現高精度恒壓恒流電源功能，具有一定的參考意義和實用性。
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作者信息：
李鍵文，潘永雄，徐家銳，梁康
（廣東工業大學 物理與光電工程學院，廣東 廣州 510006）
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