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。
中图分类号：TM46
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222980
中文引用格式：李键文，潘永雄，徐家锐，等. 基于平均电流模式的同步Buck数字电源设计研究[J]. 电子技术应用，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.
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.222980
中文引用格式：李键文，潘永雄，徐家锐，等. 基于平均电流模式的同步Buck数字电源设计研究[J]. 电子技术应用，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变换器在传统Buck变换器基础上结合了同步整流技术，具有效率高、体积小和拓扑结构简单等优点。同步Buck变换器控制可以采用模拟控制或数字控制两种方式，相对于传统模拟控制而言，数字控制具有较强的适应性和灵活性[1]，数字控制的实现要求设计者具备使用高性能数字控制芯片的能力、仿真分析控制算法的能力以及良好的自动控制理论基础。
文献[2]详细介绍了同步Buck数字电源的硬件电路设计，包括主电路器件选型、驱动电路设计和辅助电源电路设计。文献[3]基于平均电流模式同步Buck数字电源，讨论了电压模式和电流模式下的闭环控制器设计，提出在PI补偿器的基础上增加一个高频极点以降低系统的高频噪声。文献[4]提出了同步Buck电路的双闭环PI参数计算方法，对引入补偿器后的系统开环传递函数按照系统型别进行补偿器优化设计。本文在以上研究的基础上结合理论分析和Matlab/Simulink软件仿真，分析了同步Buck的环路设计条件，确保变换器在严苛条件下仍能稳定运行，详细阐述了两种电压电流双闭环PI参数设计方法，提出一种基于电流环简化的电压环设计方法，提高了数字环路设计的灵活性，并以ST公司的STM32G474处理器为主控芯片，设计了一款基于平均电流模式的同步Buck数字电源，实现高精度恒压恒流电源功能，具有一定的参考意义和实用性。
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作者信息：
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）
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