摘要：单周期控制是一种基于开关变量积分的新型非线性控制策略，能有效地抑制电源电压的扰动，但对负载扰动抑制能力有限。本文对DCM时单周期控制出现的失控提出了改进办法，提高了负载变化范围。

关键词：单周期控制OCC， Buck变换器，电流不连续模式DCM

Abstract: One-Cycle control is a new nonlinear technique based on the integration of a switched variable. It is firmness for power disturbance, but infirmness for load disturbance. In this paper it is shown, that OCC of switching converters operation in DCM does not work properly. An improvement solution is proposed in order to allow the right working of the system even under load widely varied conditions.

Key words: One-Cycle Control; Buck converters; DCM

1 引言

单周期控制（One Cycle Control，OCC）是一种新型的非线性控制策略，通过对开关变量进行积分，使其在每个周期的平均值等于给定值，从而在单周期内可以实现控制目标。采用单周期控制能有效地抑制输入电压快速扰动或者负载瞬变，大大改善了变换器的动态性能[1-3]。本文在分析单周期控制原理的基础上，分析比较了Buck变换器在电流连续模式（CCM）和电流不连续模式（DCM）下的运行情况。在DCM模式下，单周期控制会发生失控现象，从而限制了负载变化范围。文章针对可能出现的失控提出了改进办法，提高了负载的范围。

2 OCC的基本原理及运行分析

在图1所示的Buck变换器中，开关S工作在固定频率fs下，当S闭合D断开时，Vd＝Vg；当S断开D导通时（CCM），Vd＝0，电源电压Vg通过开关斩波，LC低通滤波，从而使负载端输出电压Vo恒定。通过分析可以发现Buck变换器的输出电压Vo就是开关变量的平均值。二极管D两端平均电压Vd等于二极管每个电压脉冲面积除以开关周期，即式（1）。

图2所示为理想BUCK变换器单周器控制仿真图[1. 2]，采用固定开关频率，在每个开关周期开始时S闭合（Q＝1，Qn＝0），开始对二极管电压Vd进行积分，由积分值Vint与给定值Vref进行比较，当Vint达到Vref时，比较器改变输出状态，使RS触发器翻转（Q＝0，Qn＝1），S断开，同时产生一个脉冲使积分器复位，积分器能在复位脉冲结束后立即重新开始积分，直到下一个复位脉冲到来。如果给定值Vref为一个常量，则二极管电压的平均值也为常数，输出电压就保持常数。当Vref变化时，二极管电压在每个周期的平均值与Vref相等。当Vref出现一个阶跃变化时，开关变量的平均值能很快跟随给定值变化。采用这种控制方法，其占空比由式（2）决定，而与前一开关周期的状态无关。

从（2）式可知，占空比d是一个由电源电压Vg和Vref组成的非线性函数。采用这种非线性控制，Buck变换器输出电压vo是Vref的线性函数，而与电源电压无关[1,2]。

采用电力电子专用仿真软件PSIM 6.0对该电路进行仿真，仿真参数[1,2]如下：Vg＝15V，Vref＝－4V，C＝30uF，L＝0.48mH，fs＝30kHz，Rs＝1kΩ，Cs＝33.3nF，R＝8Ω。在1ms时Vg增加一个10V的阶跃电压，二极管两端电压Vd、积分器输出电压Vint波形和电路输出电压Vout波形如图3所示，积分斜率与Vg/(RsCs)成比例，输入电压变化时，积分斜率相应变化；在1ms时改变给定电压值使Vref＝－6V，Vd、Vint和Vout波形如图4所示。根据仿真输出结果可见单周期控制能有效地抑制输入电压Vg波动，也能很好地跟随给定指令输出。

3 DCM下OCC失控分析及改进措施

当负载电阻值发生变化，如R=12Ω时，仔细观察Vd和Vint的波形，发现虽然在0.45ms~0.75ms间出现了电流不连续DCM的情况，此时单周期控制同样能保证输出电压恒定。但是当电阻增加到20Ω时（仿真波形如图5所示），电路最后的稳定输出电压为电源电压15V，即S始终闭合，可见此时电路处于失控状态。

DCM下，二极管两端的电压如图6所示，在t＝t1时，S断开，iL下降，t1～t2间D导通，则Vd＝0，t2时，电感电流释放完毕，由于此时S仍处于断开状态，故t2～t3间，Vd＝Vout，当Vd增加时开始对其进行积分，在t3时刻S在时钟的触发下导通，Vd＝Vg，积分斜率变大，当积分输出Vint达到参考值时，S在Vcomp的作用下断开，同时对积分器进行复位。

输出端电压等于开关周期内二极管两端电压的平均值。只要积分器复位时间比电感放电时间短，即在t1开始复位，复位脉冲宽度小于（t2－t1），即可保证OCC在DCM状态下仍有效[1]。

R＝20Ω时的仿真已经满足了这个条件，为什么会出现失控的现象呢？通过仔细观察图5，发现在0.42ms时变换器在DCM下工作，很快发生第一次积分器复位，其后再对Vd进行积分，在S开通之前就达到Vref，此时S仍关闭，即Qn＝1，不能产生正脉冲对积分器进行复位，故积分器会继续积分直到达到饱和，比较器的输出端始终为高电平。图5中所示电流不连续时，Vd两端的电压达到6.2V，高于给定值4V，故此时很容易使积分器输出Vint超过Vref而出现失控现象。

通过上述分析，如果在Vint达到Vref后，为防止积分器继续积分直到饱和，在下一个时钟周期到来时强迫积分器复位，并开通S，重新进行积分，即可改善单周期控制。

分析图5波形可知，在正常工作时，Vcomp的脉冲总是发生在对应的时钟脉冲Vclk之后，但出现失控时（0.46ms处），Vcomp出现在Vclk之前，故出现不能产生复位脉冲，而且其后一直保持高电平。可以利用该特点进行控制电路改进。

改进后的Buck变换器电路单周期控制如图7所示。即在比较器后加一个与门，正常工作时，因不可能同时为高电平，当Vclk为高电平时，反相后与门输出为低电平，与Vcomp电平一致。当Vclk为低电平时，反相为高电平，与门的输出与Vcomp电平一致，即正常工作时与不加反相器和与门时的图2完全相同。当电路出现异常时（此时Q＝0，Qn＝1，无法产生积分器复位脉冲），Vcomp为高电平，到下一个时钟周期到来时，Vclk经输出低电平，使与门输出为低电平，RS触发器使Q＝1，Qn＝0，继续积分，此时Vint已超过Vref，Vcomp为高电平，使RS触发器翻转，Qn＝1，积分器复位。

4仿真结果与分析

为了验证以上改进措施的效果，采用电力电子专用仿真软件PSIM 6.0，对改进的Buck变换器与原控制器进行对比仿真分析，仿真参数如下：Vg＝15V，Vref＝－4V，C＝30uF，L＝0.48mH，fs＝30kHz，Rs＝1kΩ，Cs＝33.3nF，R＝20Ω，改进的OCC控制Buck变换器的仿真波形如图8所示，可以看到在0.46ms处，Vcomp经过一个很短的时间就回零了，使积分器复位，Vint回零。可以发现经过大约5ms，电路的输出电压可以稳定在给定值了。其仿真结果可以作为Buck变换器设计的依据。

对该控制方法进行负载瞬变仿真实验，开始时负载为20Ω，10ms时电阻突变到380Ω，输出电压的仿真波形如图9所示，可见输出能很好的稳定在给定值，不会出现失控现象。

5 小结

文章对单周期控制Buck变换器在DCM下可能会失控的现象进行了分析，针对问题给出了一种改进控制办法，仿真表明该方法能有效地抑制电源电压扰动和负载瞬时变化，控制具有较强的鲁棒性和快速的动态响应。

本文作者创新点在于针对Buck变换器单周期控制在电流不连续时可能会出现的失控现象，提出了改进措施，从而大大提高了变换器负载变化范围。