一种消除开关电源次谐波振荡的方法与流程

技术特征：

1.一种消除开关电源次谐波振荡的方法，基于包括采样模块、误差计算模块、PID模块、以及脉冲调制模块构成的控制系统，所说脉冲调制模块采用脉冲宽度调制PWM模块或脉冲频率调制PFM模块其中之一，该控制系统与受控的开关电源连接起来构成一个闭环；采样模块对开关电源输出电压的分压进行采样并计算后得到输出电压大小的信号Vo，误差计算模块将参考电压Vref减去输出电压Vo，得到当前采样的误差e1，PID模块根据误差e1和PI参数值进行PID运算，得到的补偿结果V_PI输出给脉冲调制模块，脉冲调制模块输出开关信号duty对开关电源进行控制；其特征在于：在闭环控制系统中增设时间长度计算模块和次谐波消除模块，通过时间长度计算模块计算出开关信号不同的时间长度，进而通过次谐波消除模块确定补偿函数和计算控制电流的补偿量，利用给控制电流加补偿的方法来消除次谐波振荡，所说控制电流采用以峰值电流为控制电流或以平均电流为控制电流其中之一；包括以下步骤：

(1)时间长度计算模块包括开关导通时间t_on的计算、关断时间t_r的计算和周期时间t_s的计算，时间长度计算模块的输入是脉冲调制模块的开关信号duty输出，在开关信号duty的上升沿将导通时间t_on、周期时间t_s、关断时间t_r的计数器都归零并开始导通时间t_on和周期时间t_s的计数，在开关信号duty的下降沿停止导通时间t_on的计数，得到这个周期的导通时间t_on的值，同时开始关断时间t_r的计数，在开关信号duty的下一个上升沿，停止周期时间t_s和关断时间t_r的计数，得到这个周期的周期时间t_s和关断时间t_r的值，将这个周期的周期时间t_s、关断时间t_r、导通时间t_on的值输出给次谐波消除模块，同时将导通时间t_on、周期时间t_s、关断时间t_r的计数器都归零并开始下一个周期的导通时间t_on和周期时间t_s的计数，如此循环，使每个周期都能得到本周期的周期时间t_s、关断时间t_r、导通时间t_on的值，并且将本周期的周期时间t_s、关断时间t_r、导通时间t_on的值，分别记为t_s(n)、t_r(n)和t_on(n)；

(2)次谐波消除模块的输入是时间长度计算模块中得到的开关导通时间t_on、关断时间t_r以及周期时间t_s，次谐波消除模块包括次谐波消除函数确定模块、控制电流补偿量计算模块和控制电流补偿值输出模块；

1)次谐波消除函数确定模块需根据采用不同的控制电流方式及不同的脉冲调制控制模式确定出相应的次谐波消除函数，确定前的次谐波消除函数定义为f(n)，经过次谐波消除函数确定模块确定后的次谐波消除函数定义为其中，t_on(n-x)，t_r(n-x)，t_s(n-x)分别代表在本周期前x个周期的开关导通时间，开关关断时间，开关周期时间；

(A)在以峰值电流为控制电流，PWM模式为控制模式的情况下，定义峰值电流为I_peak，这时，控制电流I_qt就是峰值电流I_peak；

①定义当前开关周期的峰值电流为I_peak(n)，系统稳定无扰动时峰值电流为I_{peak_s}，而当前开关周期峰值电流的补偿量为ΔI_peak(n)＝I_peak(n)-I_{peak_s}；在次谐波消除函数确定模块中用到的ΔI_peak(n)是与确定前的次谐波消除函数f(n)有关的一个未确定的量，定义当前开关周期的开关导通时间为t_on(n)，关断时间为t_r(n)，周期时间为t_s(n)，定义系统稳定无扰动时的开关导通时间为t_{on_s}，关断时间为t_{r_s}，周期时间为t_{s_s}，定义当前开关周期的开关导通时间、关断时间和周期时间的误差分别为Δt_on(n)＝t_on(n)-t_{on_s}、Δt_r(n)＝t_r(n)-t_{r_s}、Δt_s(n)＝t_s(n)-t_{s_s}；定义PWM的最终输出到开关管的控制量为开关信号duty；定义整个开关周期中变压器等效到原边的电流为I_m，并且基本稳定的情况下开关导通时I_m上升的斜率为m1，开关关断时I_m下降的斜率为m2；同时还要增加一个额外的监测量用于监测电流来得到次谐波的影响，这个监测量代表的是当前开关周期的等效到原边的电流I_m的最小值I_pm(n)，系统稳定时，I_pm(n)＝I_{pm_s}，而它的变化量则定义为ΔI_pm(n)＝I_pm(n)-I_{pm_s}；而次谐波消除函数是t_on(n)，t_r(n)，t_s(n)，t_on(n-1)，t_r(n-1)，t_s(n-1)……t_on(n-x)，t_r(n-x)，t_s(n-x)的函数；

②对“第n个开关周期的开关导通时间的误差Δt_on(n)与第n个开关周期的峰值电流补偿量ΔI_peak(n)和第n个周期的监测量的变化量ΔI_pm(n)”以及“第n个开关周期的监测量的变化量ΔI_pm(n)与第n-1个开关周期的监测量的变化量ΔI_pm(n-1)和第n-1个开关周期的峰值电流补偿量ΔI_peak(n-1)”进行状态分析，得到下面几个关系式：

Δt_on(n)＝dΔI_peak(n)+eΔI_pm(n) (1)

ΔI_pm(n)＝aΔI_pm(n-1)+bΔI_peak(n-1) (2)

其中，a，b，d，e都是常系数；

③对时间变量开关导通时间t_on进行小信号扰动分析，将f(n)小信号分离，使用开关导通时间t_on做时间变量的峰值电流控制有f(n)＝a₁t_on(n)+a₂t_on(n-1)+…+a_xt_on(n-x)，因为通常情况下，Δt_on(n)<<t_{on_s}，所以进行小信号分离将小信号时间变量Δt_on(n)从t_on(n)中分离出来，于是有:

f(n)＝ΔI_peak(n+1)＝a₁Δt_on(n)+a₂Δt_on(n-1)+…+a_xΔt_on(n-x)+C (3)

其中，a₁，a₂，…a_x是常系数，C是分离出来的常数；

④由(1)式中Δt_on(n)和ΔI_peak(n)以及ΔI_pm(n)之间的关系，将其带入到(3)式中去，消掉小信号时间变量Δt_on(n)，得到：

ΔI_peak(n+1)＝c₁ΔI_pm(n)+b₁ΔI_peak(n)+…+c_xΔI_pm(n-x)+c_xΔI_peak(n-x)(4)

之后将(2)式和(4)式结合起来就得到迭代矩阵方程：

X(n+1)＝M·X(n) (5)

其中，

方阵M称为次谐波消除矩阵；

⑤求出M的所有特征值，令这些特征值的绝对值均小于1即可得到对a₁，a₂…a_x-1，a_x的要求即收敛区间，然后根据收敛区间来对a₁，a₂…a_x-1，a_x进行取值就能够确定出符合条件的次谐波消除函数

(B)在以峰值电流为控制电流，PFM模式为控制模式的情况下，定义峰值电流为I_peak，这时，控制电流I_qt就是峰值电流I_peak；

步骤①的内容与(A)中①的内容相同；

②对“第n个开关周期的开关周期时间的误差Δt_s(n)与第n个开关周期的峰值电流补偿量ΔI_peak(n)和第n个周期的监测量的变化量ΔI_pm(n)”以及“第n个开关周期的监测量的变化量ΔI_pm(n)与第n-1个开关周期的监测量的变化量ΔI_pm(n-1)和第n-1个开关周期的峰值电流补偿量ΔI_peak(n-1)”进行状态分析，得到下面几个关系式：

Δt_s(n)＝dΔI_peak(n)+eΔI_pm(n) (8)

ΔI_pm(n)＝aΔI_pm(n-1)+bΔI_peak(n-1) (9)

其中，a，b，d，e都是常系数；

③对时间变量开关周期时间t_s进行小信号扰动分析，将f(n)小信号分离，使用开关周期时间t_s做时间变量的峰值电流控制，有f(n)＝a₁t_s(n)+a₂t_s(n-1)+…+a_xt_s(n-x)，因为通常情况下，Δt_s(n)<<t_{s_s}，所以可以进行小信号分离将小信号时间变量Δt_s(n)从t_s(n)中分离出来，于是有:

f(n)＝ΔI_peak(n+1)＝a₁Δt_s(n)+a₂Δt_s(n-1)+…+a_xΔt_s(n-x)+C (10)

其中，a₁，a₂，…a_x是常系数，C是分离出来的常数；

④由(8)式中Δt_s(n)和ΔI_peak(n)以及ΔI_pm(n)之间的关系，将其带入到(10)式中去，就可以消掉小信号时间变量Δt_s(n)，即得到：

ΔI_peak(n+1)＝c₁ΔI_pm(n)+b₁ΔI_peak(n)+…+c_xΔI_pm(n-x)+c_xΔI_peak(n-x)(11)

之后将(9)式和(11)式结合起来就得到迭代矩阵方程：

X(n+1)＝M·X(n) (12)

其中，

方阵M称为次谐波消除矩阵；

⑤求出M的所有特征值，令这些特征值的绝对值均小于1即得到对a₁，a₂…a_x-1，a_x的要求即收敛区间。然后根据收敛区间来对a₁，a₂…a_x-1，a_x进行取值就能够确定出符合条件的次谐波消除函数

(C)在以平均电流为控制电流，PWM模式为控制模式的情况下，定义平均电流为I_av，这时，控制电流I_qt就是平均电流I_av；

①定义当前开关周期的平均电流为I_av(n)，系统稳定无扰动时平均电流为I_{av_s}，当前开关周期平均电流的补偿量为ΔI_av(n)＝I_av(n)-I_{av_s}；在次谐波消除函数确定模块中用到的ΔI_av(n)是与确定前的次谐波消除函数f(n)有关的一个未确定的量，定义当前开关周期的开关导通时间为t_on(n)，关断时间为t_r(n)，周期时间为t_s(n)，定义系统稳定无扰动时的开关导通时间为t_{on_s}，关断时间为t_{r_s}，周期时间为t_{s_s}，定义当前开关周期的开关导通时间、关断时间和周期时间的误差分别为Δt_on(n)＝t_on(n)-t_{on_s}，Δt_r(n)＝t_r(n)-t_{r_s}，Δt_s(n)＝t_s(n)-t_{s_s}；定义PWM的最终输出到开关管的控制量为duty；定义整个开关周期中变压器等效到原边的电流为I_m，并且基本稳定的情况下开关导通时I_m上升的斜率为m1，开关关断时I_m下降的斜率为m2；同时还要增加一个额外的监测量用于监测电流来得到次谐波的影响，这个监测量代表的是当前开关周期的等效到原边的电流I_m的最小值I_pm(n)，系统稳定时，I_pm(n)＝I_{pm_s}，而它的变化量则定义为ΔI_pm(n)＝I_pm(n)-I_{pm_s}；而次谐波消除函数是t_on(n)，t_r(n)，t_s(n)，t_on(n-1)，t_r(n-1)，t_s(n-1)……t_on(n-x)，t_r(n-x)，t_s(n-x)的函数；

②对“第n个开关周期的开关导通时间的误差Δt_on(n)与第n个开关周期的平均电流补偿量ΔI_av(n)和第n个周期的监测量的变化量ΔI_pm(n)”以及“第n个开关周期的监测量的变化量ΔI_pm(n)与第n-1个开关周期的监测量的变化量ΔI_pm(n-1)和第n-1个开关周期的平均电流补偿量ΔI_av(n-1)”进行状态分析，得到下面几个关系式：

Δt_on(n)＝dΔI_av(n)+eΔI_pm(n) (15)

ΔI_pm(n)＝aΔI_pm(n-1)+bΔI_av(n-1) (16)

其中，a，b，d，e都是常系数；

③对时间变量开关导通时间t_on进行小信号扰动分析，将f(n)小信号分离，使用开关导通时间t_on做时间变量的平均电流控制，有f(n)＝a₁t_on(n)+a₂t_on(n-1)+…+a_xt_on(n-x)，因为通常情况下，Δt_on(n)<<t_{on_s}，所以可以进行小信号分离将小信号时间变量Δt_on(n)从t_on(n)中分离出来，于是有:

f(n)＝ΔI_av(n+1)＝a₁Δt_on(n)+a₂Δt_on(n-1)+…+a_xΔt_on(n-x)+C (17)

其中，a₁，a₂，…a_x是常系数，C是分离出来的常数；

④由(15)式中Δt_on(n)和ΔI_av(n)以及ΔI_pm(n)之间的关系，将其带入到(17)式中去，就可以消掉小信号时间变量Δt_on(n)，即得到：

ΔI_av(n+1)＝c₁ΔI_pm(n)+b₁ΔI_av(n)+…+c_xΔI_pm(n-x)+c_xΔI_av(n-x)(18)

之后将(16)式和(18)式结合起来就得到迭代矩阵方程：

X(n+1)＝M·X(n) (19)

其中，

方阵M称为次谐波消除矩阵；

⑤求出M的所有特征值，令这些特征值的绝对值均小于1即可得到对a₁，a₂…a_x-1，a_x的要求即收敛区间。然后根据收敛区间来对a₁，a₂…a_x-1，a_x进行取值就能够确定出符合条件的次谐波消除函数

(D)在以平均电流为控制电流，PFM模式为控制模式的情况下，定义平均电流为I_av，这时，控制电流I_qt就是平均电流I_av；

步骤①的内容与(C)中①的内容相同；

②对“第n个开关周期的开关周期时间的误差Δt_s(n)与第n个开关周期的平均电流补偿量ΔI_av(n)和第n个周期的监测量的变化量ΔI_pm(n)”以及“第n个开关周期的监测量的变化量ΔI_pm(n)与第n-1个开关周期的监测量的变化量ΔI_pm(n-1)和第n-1个开关周期的平均电流补偿量ΔI_av(n-1)”进行状态分析，得到下面几个关系式：

Δt_s(n)＝dΔI_av(n)+eΔI_pm(n) (22)

ΔI_pm(n)＝aΔI_pm(n-1)+bΔI_av(n-1) (23)

其中，a，b，d，e都是常系数；

③对时间变量开关周期时间t_s进行小信号扰动分析，将f(n)小信号分离，开关周期时间t_s做时间变量的平均电流控制，有f(n)＝a₁t_s(n)+a₂t_s(n-1)+…+a_xt_s(n-x)，因为通常情况下，Δt_s(n)<<t_{s_s}，所以可以进行小信号分离将小信号时间变量Δt_s(n)从t_s(n)中分离出来，于是有:

f(n)＝ΔI_av(n+1)＝a₁Δt_s(n)+a₂Δt_s(n-1)+…+a_xΔt_s(n-x)+C (24)

其中，a₁，a₂，…a_x是常系数，C是分离出来的常数；

④由(22)式中Δt_s(n)和ΔI_av(n)以及ΔI_pm(n)之间的关系，将其带入到(24)式中去，就可以消掉小信号时间变量Δt_s(n)，即得到：

ΔI_av(n+1)＝c₁ΔI_pm(n)+b₁ΔI_av(n)+…+c_xΔI_pm(n-x)+c_xΔI_av(n-x) (25)

之后将(23)式和(25)式结合起来就得到迭代矩阵方程：

X(n+1)＝M·X(n) (26)

其中，

方阵M称为次谐波消除矩阵；

⑤求出M的所有特征值，令这些特征值的绝对值均小于1即可得到对a₁，a₂…a_x-1，a_x的要求即收敛区间。然后根据收敛区间来对a₁，a₂…a_x-1，a_x进行取值就能够确定出出符合条件的次谐波消除函数

2)在次谐波消除函数确定模块将次谐波消除函数确定之后，控制电流补偿量计算模块将这个周期输入的t_on(n)、t_s(n)、t_r(n)和根据维度存储的之前x周期的所有开关导通时间t_on、开关关断时间t_r、开关周期时间t_s的值代入到对应的控制电流方式及脉冲调制控制模式确定后的的次谐波消除函数中去，得到相应的第n+1个周期的控制电流的补偿量因为在这个周期结束的时候，时间长度计算模块才将这个周期得到的t_on(n)、t_s(n)和t_r(n)输出给次谐波消除模块，并且因为下周期一开始很短的时间内就能完成补偿，所以这个周期计算得到的控制电流的补偿量只能在下个周期，即第n+1个周期成功使用；控制电流补偿值输出模块用于输出次谐波消除模块的最终输出，即控制电流的补偿量ΔI_qt(n+1)；

3)在脉冲调制模块中，首先用PID模块得到的V_PI计算出不考虑次谐波影响的控制电流值I_{qt_s}，然后将次谐波消除模块的最终输出控制电流补偿量ΔI_qt(n+1)与不考虑次谐波影响的控制电流值I_{qt_s}相加，得到加上了补偿的最终控制电流I_qt(n+1)，从而得到开关信号duty，实现对开关电源功率管的控制，完成通过给控制电流加补偿的方式消除次谐波振荡的环路控制。