專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓調(diào)整技術(shù)的dc/dc控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自適應(yīng)電壓調(diào)整技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)的DC/DC控制器。
背景技術(shù)：
自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVP，Adaptive Voltage Positioning)又稱最優(yōu)電壓調(diào)整(OptimalVoltage Positioning)，是一種在負(fù)載突變時(shí)，充分利用所允許的輸出電壓范圍，有效減小輸出電容、從而降低成本的一種技術(shù)[2]。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于負(fù)載為高性能CPU、通信設(shè)備、DSP、圖像處理器等存在大電流瞬變的負(fù)載點(diǎn)DC/DC變換器(Point-of-load DC/DCRegulator)中，比如Intel的VRD標(biāo)準(zhǔn)明確要求使用該技術(shù)來設(shè)計(jì)給CPU供電的電壓調(diào)整模塊[1]。
AVP原理如圖1所示，圖1(a)沒有使用AVP技術(shù)，在負(fù)載電流發(fā)生突變時(shí)，輸出電壓會(huì)產(chǎn)生尖峰。為了保障負(fù)載性能不會(huì)下降或者損壞，尖峰必須控制在Vmax以及Vmin范圍以內(nèi)，對(duì)于一些負(fù)載電流很大的應(yīng)用，比如CPU，要求負(fù)載電流變化達(dá)95A時(shí)，過沖小于50mv[1]。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)勢(shì)必要求有足夠多的高性能濾波電容，從而造成成本增大。圖1(b)采用了AVP技術(shù)，輸出電壓根據(jù)負(fù)載電流大小在Vmax～Vmin范圍內(nèi)變化，而不像沒有使用AVP時(shí)，必須控制尖峰在(Vmax～Vmin)/2范圍內(nèi)，從而擴(kuò)大了可以變化的范圍，減小了對(duì)輸出電容的要求，降低了成本。
采用AVP技術(shù)的變換器等效電路如圖2所示。最大負(fù)載電流時(shí)，Vo＝Vmin，負(fù)載電流最小時(shí)，Vo＝Vmax。此時(shí)，變換器等效為理想電壓源與電阻的串聯(lián)，該電阻大小為RO=ΔVOΔIO.]]>因此，實(shí)現(xiàn)AVP技術(shù)即要求控制器的閉環(huán)輸出阻抗等于電阻Ro。
為了實(shí)現(xiàn)AVP要求的閉環(huán)輸出阻抗等于電阻Ro，當(dāng)前的學(xué)術(shù)界和各大電源管理供應(yīng)商提出了不少解決方案。比如[2-5]利用對(duì)電感電流的采樣，來實(shí)現(xiàn)AVP。根據(jù)電流環(huán)路的位置又分為Active Droop Mode Control和Current Mode Control。[6]利用對(duì)負(fù)載電流的采樣來實(shí)現(xiàn)AVP，[7]采樣輸入端電流來實(shí)現(xiàn)AVP。這些方案的共同特點(diǎn)是將負(fù)載的電流或輸入電流信息加入到控制環(huán)路中。由于這些電流信息直接影響到控制的精確程度，所以電流采樣電路的設(shè)計(jì)要求比較高，然而，很多因素限制了采樣電路的精確性，而且不可避免[8]。[2]提出，如果不采樣電流信息，只用反饋電壓環(huán)路來實(shí)現(xiàn)AVP是不可能實(shí)現(xiàn)的。隨后的論文和產(chǎn)品也放棄了向這個(gè)方向的努力。
參考文獻(xiàn)[1]Intel，Voltage Regulator-Down(VRD)10.1 Design Guide For Desktop LGA 775 Socket. K.Yao，M.Xu，Y Meng and F.C.Lee“Design considerations for VRM transientresponse based on the output impedance”IEEE Trans Power Electronics，vol 18 pp 1270-1277，Nov.2003[3]STMicroelectronics GROUP OF COMPANIES，L6710，L6917B，L6918A datasheet. K.Yao，Y.Meng，P.Xu and F.C Lee，“Optimal design of the active droop control designmethod for the transient response，”in Proc.IEEE APEC，2002，pp.14-20[5]Intersil Corporation ISL6556B datasheet. X.Zhang，G.Yao，A.Q.Huang，“A novel VRM control with direct load current feedback”Applied Power Electronics Conference and Exposition，2004.APEC′04.Nineteenth AnnualIEEE Volume 1，2004 Page(s)267-271[7]J Sun；J Zhou；M Xu；Lee，F(xiàn).C，“A novel input-side current sensing method to achieveAVP for future VRs”Applied Power Electronics Conference and Exposition，APEC 2005.Twentieth Annual IEEE March 2005 Page(s)287-293 Vol.1[8]C F Lee；Mok，P.K.T.；“A monolithic current-mode CMOS DC-DC converter with on-chip current-sensing technique”Solid-State Circuits.IEEE Journal ofVolume 39，Issue 1，Jan.2004 Page(s)3-14發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種可以不采樣任何電流信息，因而控制精度高的實(shí)現(xiàn)AVP技術(shù)的DC/DC控制器。
本發(fā)明提出的實(shí)現(xiàn)AVP技術(shù)的DC/DC控制器，結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。它由一個(gè)濾波器X、一個(gè)比較器、一個(gè)濾波器H和PWM電路依次經(jīng)電路連接組成，濾波器X接參考信號(hào)Vref，，比較器與反饋的輸出電壓Vo信號(hào)連接；該結(jié)構(gòu)不采樣任何電流信息，由濾波器X對(duì)參考信號(hào)Vref進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的信號(hào)與反饋的輸出電壓Vo進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)Verr，該誤差信號(hào)送濾波器H，濾波器H的輸出送PWM電路產(chǎn)生調(diào)節(jié)用的一定占空比的PWM脈沖。
圖3(b)為采用該結(jié)構(gòu)的控制器的DC/DC應(yīng)用系統(tǒng)示例?？刂破鞑蓸虞敵鲭妷?，產(chǎn)生PWM脈沖經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器(Driver)得到正反相的兩路信號(hào)，分別送上、下兩個(gè)功率管，控制功率管的導(dǎo)通和截止，也即控制輸出LC濾波器的充放電時(shí)間。最終系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，Vo＝Vref。
濾波器H、X的實(shí)現(xiàn)圖3(b)所示DC/DC系統(tǒng)的S域模型如圖4所示。其中，Gvd(s)為BUCK變換器輸入占空比到輸出電壓的傳輸函數(shù)，ZO(s)為輸出阻抗，F(xiàn)(s)為PWM放大倍數(shù)，D(s)是系統(tǒng)延遲傳輸函數(shù)。各部分表達(dá)式如下Gvd(s)=VinSCRC+1S2CL+SC(RL+RC)+1---(1)]]>其中，C、L分別為輸出濾波器電容、電感。RC與RL分別為電容和電感的等效串聯(lián)電阻，Vin為輸入電壓；ZO(s)=S2RCCL+S(L+RLRCC)+RLS2CL+SC(RL+RC)+1---(2)]]>F=1Vramp---(3)]]>Vramp為PWM斜波電壓。
D(s)＝e-sT(4)T為系統(tǒng)開關(guān)周期。
可以得到閉環(huán)傳輸函數(shù)為VO=KDHGvd1+KDHGvdXVref-ZO1+KDHGvdIO---(5)]]>按照AVP要求，Vo必須滿足VO＝Vref-ROIO(6)對(duì)比(5)、(6)，要求ZO1+KDHGvd=RO---(7)]]>KDHGvd1+KDHGvdX=1]]>將(1)～(4)代入到(7)可以求出H、X的表達(dá)式如下H(s)=CL(RC-Ro)S32/fsw+[CL(RC-Ro)+L+RLRCC-CRORL-CRORC2/fsw]S2+[L+RLRCC-CRORL-CRORC+RL-RO2/fsw]S+RL-ROROVinF(SCRC+1)]]>X(s)=CLRCS2+(L+RLRCC)S+RLCL(RC-Ro)S2+(L+RLRCC-CRORL-CRORC)S+RL-RO---(8)]]>其中，Ro輸出電阻，fsw為開關(guān)頻率，S為系統(tǒng)參數(shù)。
本發(fā)明的袦優(yōu)點(diǎn)是該不采樣負(fù)載的電流信息，對(duì)參考電壓進(jìn)行補(bǔ)償，使得整個(gè)系統(tǒng)僅采用反饋電壓環(huán)路來實(shí)現(xiàn)AVP。不需要設(shè)計(jì)用于控制的高精度電流采樣電路，有效減小了設(shè)計(jì)成本；設(shè)計(jì)過程中沒有使用任何簡(jiǎn)化，保證了優(yōu)異的控制性能。
采用該結(jié)構(gòu)的控制器可以應(yīng)用于存在大電流瞬變的負(fù)載點(diǎn)DC/DC變換器包括高性能CPU、通信設(shè)備、DSP、圖像處理器等領(lǐng)域。


圖1、不使用AVP技術(shù)和使用AVP技術(shù)的輸出電壓波形比較。其中，圖1(a)不使用AVP技術(shù)時(shí)的輸出電壓波形。圖1(b)使用AVP技術(shù)時(shí)的輸出電壓波形。
圖2、AVP技術(shù)等效電路。
圖3、本發(fā)明提出的控制結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用系統(tǒng)示例。其中，圖3(a)本發(fā)明提出的控制器結(jié)構(gòu)。圖3(b)采用本發(fā)明提出的控制器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)示例。
圖4、控制器的S域等效模型。
圖5、一種實(shí)現(xiàn)本發(fā)明提出的控制結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)圖。
圖6、當(dāng)負(fù)載以2A/us的速率，從0.2A變化到20A時(shí)的輸出電壓波形。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。該實(shí)施例中，采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)所述DC/DC控制器，結(jié)構(gòu)圖見圖5。開關(guān)頻率fsw＝1MHz。輸出電壓受Vref控制，Vref用8位數(shù)字碼表示，范圍從0～2v，輸入電壓為12v，輸出電流0～20A，C＝8mF，L＝390nH，等效RC＝2mΩ，等效RL＝29.12mΩ。取Ro＝2mΩ。由于采用數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，輸出電壓經(jīng)過ADC電路采樣，而PWM電路使用計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)，所以(3)式中的F在這里表示為ADC與PWM放大倍數(shù)的乘積，大小為F=1qADC2nPWM---(9)]]>其中，qADC為ADC精度，nPWM為PWM位數(shù)，分別為7.8mv、11bit。
將以上信息代入(8)式，得到(計(jì)算時(shí)可以借助MATLAB工具)H(s)=1.79e-013s2+3.716e-007s+0.027122.462e-008s+0.001538---(10)]]>X(s)=6.24e-012s2+8.559c-007s+0.029123.58e-007s+0.02712---(11)]]>將(10)、(11)利用“Tustin”方法變換到Z域(也可以使用其他變換方法，比如，后向歐拉、零極點(diǎn)匹配等。)
H(z)=29.27z2-27.14z-4.739w-015z2+0.06061z-0.9394---(12)]]>X(z)=35.93z2-67.1z+31.32z2+0.07299z-0.927---(13)]]>經(jīng)過MATLAB/SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)仿真后，在Virtex II Pro Development System開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)該控制器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由示波器、直流電子負(fù)載、穩(wěn)壓電源、PC機(jī)電源、DC-DC系統(tǒng)測(cè)試板、FPGA開發(fā)板和PC機(jī)組成。
圖6顯示當(dāng)負(fù)載以2A/us的速率，從0.2A變化到20A時(shí)的輸出電壓波形，可以看到，輸出電壓跳變66mv，閉環(huán)輸出阻抗約3.3mΩ，與設(shè)計(jì)值基本一致。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓調(diào)整技術(shù)的DC/DC控制器，其特征在于由一個(gè)濾波器X、一個(gè)比較器、一個(gè)濾波器H和PWM電路依次經(jīng)電路連接組成，濾波器X接參考信號(hào)Vref，比較器與反饋的輸出電壓Vo信號(hào)連接；該結(jié)構(gòu)不采樣任何電流信息，由濾波器X對(duì)參考信號(hào)Vref進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的信號(hào)與反饋的輸出電壓Vo進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)Verr，該誤差信號(hào)送濾波器H，濾波器H的輸出送PWM電路產(chǎn)生調(diào)節(jié)用的一定占空比的PWM脈沖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓調(diào)整技術(shù)的DC/DC控制器，其特征在于所述的濾波器H和濾波器X的表達(dá)式如下H(s)=CL(RC-Ro)S32/fsw+[CL(RC-Ro)+L+RLRCC-CRORL-CRORC2/fsw]S2+[L+RLRCC-CRORL-CRORC+RL-RO2/fsw]S+RL-ROROVinF(SCRC+1)]]>X(s)=CLRCS2+(L+RLRCC)S+RLCL(RC-Ro)S2+(L+RLRCC-CRORL-CRORC)S+RL-RO---(8)]]>其中，C、L分別為輸出濾波器電容、電感，RC與RL分別為電容和電感的等效串聯(lián)電阻，Vin為輸入電壓；Ro為輸出電阻，fsw為開關(guān)頻率，S為系統(tǒng)參數(shù)，F(xiàn)=1Vramp,]]>Vramp為PWM斜波電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓調(diào)整技術(shù)的DC/DC控制器，其特征在于采用數(shù)字方式，這時(shí)，輸出電壓經(jīng)過ADC電路采樣，PWM電路使用計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)，F(xiàn)=1qADC2nPWM]]>這里，qADC為ADC電路的精度，nPWM為PWM位數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明屬自適應(yīng)電壓調(diào)整技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電壓調(diào)整技術(shù)的DC/DC控制器。該控制器由一個(gè)濾波器X、一個(gè)比較器、一個(gè)濾波器H和PWM電路依次電路連接組成。該結(jié)構(gòu)不采樣負(fù)載的電流信息，對(duì)參考電壓進(jìn)行補(bǔ)償，使得整個(gè)系統(tǒng)僅采用反饋電壓環(huán)路來實(shí)現(xiàn)AVP。不需要設(shè)計(jì)用于控制的高精度電流采樣電路，有效減小了設(shè)計(jì)成本；設(shè)計(jì)過程中沒有使用任何簡(jiǎn)化，保證了優(yōu)異的控制性能。
文檔編號(hào)H02M3/10GK1829058SQ20061002475
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月16日
發(fā)明者顧培培, 李文宏 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)