開關(guān)電源數(shù)字化控制技術(shù)研究

聶慧芳

（中航工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，洛陽(yáng) 471009）

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)的快速進(jìn)步，各種電子設(shè)備成為人們生活當(dāng)中不可缺少的生活用品。開關(guān)電源技術(shù)是電子產(chǎn)品技術(shù)的主要部分，完善的電源系統(tǒng)是電子設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件，與此同時(shí)，近年來市場(chǎng)上對(duì)數(shù)字化開關(guān)電源的需求量逐漸增大，各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄娮釉O(shè)備電源系統(tǒng)的性能要求也在不斷提高。以上因素使開關(guān)電源行業(yè)要不斷提高電源的精確度、效率，減小電源的體積，使開關(guān)電源的整體性能得到提高?；诖?，本文對(duì)開關(guān)電源數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)行研究分析，對(duì)提高開關(guān)電源的性能具有重要意義。

2 開關(guān)電源數(shù)字化控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀

數(shù)字化電源的本質(zhì)特征是電源對(duì)輸出電壓以及電流的PWM調(diào)節(jié)是由控制芯片按照數(shù)字控制算法以及方式進(jìn)行的，受數(shù)字控制器材自身性能限制，當(dāng)開關(guān)的頻率達(dá)到MHz時(shí)，數(shù)字控制技術(shù)就不能達(dá)到開關(guān)的設(shè)計(jì)要求。另外，數(shù)字控制器材成本較高，所以，目前模擬開關(guān)電源依舊在開關(guān)市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。現(xiàn)如今，開關(guān)電源數(shù)字化控制技術(shù)研究主要分為兩類，首先是研發(fā)數(shù)字化控制芯片，其次是研究數(shù)字化電源開關(guān)。近些年，開關(guān)數(shù)字化主要有以下幾個(gè)研究方向：一是研究數(shù)字化控制方案，其主要是研究不同性能的數(shù)字芯片，應(yīng)用于數(shù)字化開關(guān)電源；二是研究數(shù)字控制技術(shù)算法，針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字分析，進(jìn)而提出更加合理的數(shù)字控制算法；三是研究智能化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的智能化監(jiān)管?；诖耍疚膶?duì)開關(guān)電源數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

3 開關(guān)電源數(shù)字化控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

電源開關(guān)的體積很小、重量很輕且電源變換效率較高，使其廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、機(jī)器控制設(shè)備、家用電器等電器當(dāng)中。但隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人民對(duì)電源開關(guān)的要求也逐漸提高，以前的電源開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)大多采用模擬控制技術(shù)，該技術(shù)只適用電力較小、頻率較低以及功能少的開關(guān)，并且該電源開關(guān)存在電路較為復(fù)雜、控制器件多等缺點(diǎn)[2]。相比之下數(shù)字化開關(guān)電源有如下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：一是數(shù)字化電源開關(guān)應(yīng)用了先進(jìn)的控制技術(shù)以及智能控制系統(tǒng)，使開關(guān)電源性能更高，能更好地滿足人們的智能化需求；二是該開關(guān)控制系統(tǒng)較為靈活，控制系統(tǒng)可以隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，可以在線對(duì)控制算法以及控制數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，可以有效減短電源開關(guān)的設(shè)計(jì)周期；三是電源開關(guān)的控制電路中器件數(shù)量很少，可以有效減小控制面板體積，使系統(tǒng)的抗干擾能力得到很大的提高；四是電源開關(guān)的控制系統(tǒng)可靠性能得到很大提高，便于進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，并且生產(chǎn)制造方便快捷。

4 開關(guān)電源數(shù)字化技術(shù)的控制方法研究

開關(guān)電源數(shù)字化控制方法是現(xiàn)如今電源研究當(dāng)中的重點(diǎn)，隨著數(shù)字化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，許多離散控制方法也應(yīng)運(yùn)而生，主要包括無差別控制、PID控制、模糊控制、滑膜變結(jié)構(gòu)控制等，進(jìn)而推動(dòng)了開關(guān)電源數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展。

4.1 無差拍控制

無差拍控制是基于電路方程的一種控制方法，其應(yīng)用信息狀態(tài)的反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)了零點(diǎn)以及極點(diǎn)的對(duì)消，并且在原點(diǎn)上配置了另外一個(gè)極點(diǎn)。在達(dá)到預(yù)期效果的情況下，輸出可以與給定完美匹配，畸變率相對(duì)較小[3]。所以，在開關(guān)頻率較低的條件下，無差拍控制也能夠有保證波形的良好質(zhì)量，使數(shù)字化開關(guān)電源的性能有所提高。與此同時(shí)，無差拍控制法也有相應(yīng)的缺點(diǎn)，首先，該控制法的采集時(shí)間以及計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，限制了輸出脈沖的占比；其次，無差拍控制的系統(tǒng)參數(shù)靈敏度較差。由于無差拍控制技術(shù)自身的局限性，使無差拍控制技術(shù)的應(yīng)用受到一定的限制。

4.2 PID控制

PID控制技術(shù)是一種經(jīng)典的控制方法，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的開關(guān)多采用模擬PID控制法，與其他的控制法相比，PID控制方法主要具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，PID算法包含了動(dòng)態(tài)控制整個(gè)過程的信息數(shù)據(jù)，可以使整個(gè)控制過程更加精確、快速、穩(wěn)定，有非常好的控制效果；其次，PID控制法在整個(gè)控制過程中對(duì)控制系統(tǒng)參數(shù)的依賴性低，進(jìn)而控制系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)控制效果的影響小，使控制系統(tǒng)的整體性能得到有效提高[4]。最后，PID控制法已經(jīng)較為完備，可以應(yīng)用到數(shù)字化開關(guān)電源的設(shè)計(jì)當(dāng)中。但是，當(dāng)PID控制法應(yīng)用到數(shù)字化電源開關(guān)的設(shè)計(jì)當(dāng)中時(shí)，也有一些局限性。首先是系統(tǒng)的誤差降低了PID算法的分辨率，使PID的控制精度降低；其次，采樣以及計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng)使得控制系統(tǒng)時(shí)間滯后。

4.3 模糊控制

電子設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的、多變的、非線性的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的復(fù)雜性與電源控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性之間存在著一定矛盾。然而，模糊控制系統(tǒng)能夠精確找到二者之間平衡點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中的復(fù)雜狀況做出準(zhǔn)確判斷，并及時(shí)對(duì)信息進(jìn)行處理。模糊控制方法在開關(guān)電源的控制系統(tǒng)中主要有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：首先，模糊控制在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中不需要對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模，其有較強(qiáng)的適應(yīng)性與魯棒性；其次，系統(tǒng)處理器查找模糊控制數(shù)據(jù)只需要用很少的時(shí)間，所以，可以應(yīng)用很高的采樣率對(duì)系統(tǒng)中的實(shí)際偏差進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而提高了整體系統(tǒng)的精確度[5]。目前，受技術(shù)水平的限制，模糊變量的分類以及模糊規(guī)則數(shù)都受到了一定程度的限制，沒有統(tǒng)一的理論對(duì)確定隸屬函數(shù)進(jìn)行指導(dǎo)。因此，當(dāng)前的模糊控制準(zhǔn)確度還有待提高。

4.4 滑膜變結(jié)構(gòu)控制

滑膜變結(jié)構(gòu)控制在本質(zhì)上是不連續(xù)的開關(guān)電源控制方法，該種控制方法將電源系統(tǒng)的跟蹤誤差以及誤差導(dǎo)數(shù)控制在一條固定的滑膜曲線之上，該過程與系統(tǒng)的參數(shù)變動(dòng)和外部的干擾完全無關(guān)，使電源開關(guān)控制系統(tǒng)的魯棒性得到增強(qiáng)?；ぷ兘Y(jié)構(gòu)控制有非常明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但是，該控制方法也存在一定的缺陷，其存在著控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性不強(qiáng)，在高頻率的狀態(tài)下容易抖動(dòng)，很難選到理想當(dāng)中的滑膜切面，與此同時(shí)，系統(tǒng)控制效果容易受采樣率等相關(guān)因素的影響。因此，要強(qiáng)化滑膜變結(jié)構(gòu)控制在開關(guān)電源設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用，還需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論

通過對(duì)文章的分析可知，數(shù)字化電源開關(guān)是未來發(fā)展的趨勢(shì)，伴隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，性能較高的開關(guān)電源成為廣大科技工作人員的研究熱點(diǎn)，應(yīng)用數(shù)字化控制技術(shù)，可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)開關(guān)電源中的復(fù)雜電路，提高開關(guān)電源的整體性能。基于此，本文對(duì)開關(guān)電源數(shù)字化控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)探究，通過應(yīng)用PID控制方法、無差拍控制方法、模糊控制方法、滑膜變結(jié)構(gòu)控制方法等可以有效提高開關(guān)電源的整體性能，滿足市場(chǎng)對(duì)電源開關(guān)的性能需求。