電源適配器控制系統(tǒng)的原理

電源適配器中，普遍采用負(fù)反饋控制，使其輸出電壓或電流保持穩(wěn)定，并達(dá)到一定的穩(wěn)壓或穩(wěn)流精度。因此電源適配器的主電路及反饋控制電路構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其典型的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖。控制電路的設(shè)計(jì)就是圍繞這一閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)展開(kāi)的。

為了能進(jìn)行電源適配器電壓、電流自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須首先對(duì)這一系統(tǒng)的原理有比較深入的認(rèn)識(shí)，電源適配器公司在本文重點(diǎn)闡述這一問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)電路的建模

對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)總是從建立其數(shù)學(xué)模型開(kāi)始的?？陀^(guān)事物本質(zhì)上是復(fù)雜的，而建模的過(guò)程就是忽略其次要的因素，探尋其主要規(guī)律的過(guò)程。隨著對(duì)事物認(rèn)識(shí)的層次的不同，模型的抽象程度也相應(yīng)改變。

圖所示即為品字尾電源適配器控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。它給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成環(huán)節(jié)，可以用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性的研究。而要進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這一模型就顯得不夠詳細(xì)，必須對(duì)其中的每個(gè)環(huán)節(jié)分別建立明確的數(shù)學(xué)描述，即給出它們的傳遞函數(shù)。

根據(jù)《自動(dòng)控制原理》、《電路》和《電子學(xué)》的知識(shí)，系統(tǒng)中很多環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)都可以比較容易得到，而較困難的是主電路的建模。根據(jù)對(duì)開(kāi)關(guān)電路的理想化方法和抽象程度，可以建立3個(gè)不同層次的開(kāi)關(guān)電路模型，它們分別是理想開(kāi)關(guān)模型、狀態(tài)空間平均模型和小信號(hào)模型。以圖42所示典型的降壓型電路為例，下面將詳細(xì)闡述這3種不同的建模方法。

理想英規(guī)電源適配器開(kāi)關(guān)模型

實(shí)際開(kāi)關(guān)電路中的開(kāi)關(guān)器件并非理想，其開(kāi)通和關(guān)斷都需要經(jīng)過(guò)一定的過(guò)程和時(shí)間，通態(tài)存在壓降，斷態(tài)有漏電流。但這些非理想因素對(duì)控制系統(tǒng)的特性影響不大，因此在建模時(shí)，可以忽略這些非理想因素，認(rèn)為開(kāi)關(guān)是理想的，即：

①開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程的時(shí)間為零，

②通態(tài)壓降為零，

③斷態(tài)漏電流為零。

這樣得到的模型即為理想開(kāi)關(guān)模型。圖所示即為圖42的理想開(kāi)關(guān)模型。值得注意的是，此處所指開(kāi)關(guān)不僅包含MOSFET、IGBT等全控型開(kāi)關(guān)器件，還包括二極管。電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著開(kāi)關(guān)的通與斷而變化其電路方程也是隨著開(kāi)關(guān)的通與斷而變化的，因此理想開(kāi)關(guān)模型是時(shí)變的。圖中電路的狀態(tài)方程可以寫(xiě)成下式所示的形式：

理想開(kāi)關(guān)模型與實(shí)際的電路很接近，利用這一模型進(jìn)行分析得到的結(jié)果也與實(shí)際情況最為吻合。但理想開(kāi)關(guān)模型是時(shí)變的，獲得其解析解比較困難，因此通常用數(shù)值的方法來(lái)求解。

采用計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)圖所示電路的理想開(kāi)關(guān)模型輸出電壓和電感電流階躍響應(yīng)的數(shù)值解見(jiàn)圖。

數(shù)值方法總是針對(duì)一個(gè)特定的問(wèn)題進(jìn)行求解的，無(wú)法獲得對(duì)一類(lèi)控制系統(tǒng)具有普遍意義的結(jié)果，因此，還需要對(duì)理想開(kāi)關(guān)模型進(jìn)行改進(jìn)，消除其時(shí)變性，從而獲得解析解。解析解以代數(shù)表達(dá)式的形式給出狀態(tài)方程的解，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，代入具體數(shù)值即可。更為重要的是，從解析解表達(dá)式可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律性。

式是一個(gè)典型的時(shí)變系統(tǒng)，如果以占空比D作為一個(gè)輸人變量，該變量與另一個(gè)輸入變量存在乘積項(xiàng)，因此該系統(tǒng)還是非線(xiàn)性的。對(duì)于非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)，解析解的獲得是非常困難的，因此需要通過(guò)一系列的簡(jiǎn)化，將方程簡(jiǎn)化為線(xiàn)性定常的，然后才能得到解析解。