專(zhuān)利名稱(chēng)：一種采用數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制的Buck型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種采用數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制的Buck型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，用于要求穩(wěn)定性強(qiáng)、對(duì)負(fù)載瞬態(tài)變化響應(yīng)迅速的供電系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
當(dāng)今社會(huì)人們極大的享受著信息技術(shù)帶來(lái)的便利，在便攜式電子產(chǎn)品、發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)照明、汽車(chē)電子等信息技術(shù)領(lǐng)域都需要穩(wěn)定的直流電源。直流穩(wěn)壓電源主要分為線(xiàn)性穩(wěn)壓器、電荷泵和開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器。線(xiàn)性穩(wěn)壓器，如低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator, LD0),提供的負(fù)載電流較小,且轉(zhuǎn)換效率也較低；電荷泵提供的負(fù)載電流也一般；開(kāi)關(guān)電源具有帶負(fù)載能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，是一種高效節(jié)能電源。開(kāi)關(guān)電源既可以采用線(xiàn)性控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以采用非線(xiàn)性控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的比例-微分-積分(Proportion Integration Differentiation, PID)控制算法作為一種典型的線(xiàn)性控制方法，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，但是，其對(duì)于負(fù)載電流的變化、動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力有限，且控制精度和抗干擾能力一般?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制算法由于其對(duì)于外界的干擾(如負(fù)載電流變化，輸入電壓變化等)及內(nèi)部參數(shù)的攝動(dòng)[如降壓變換器(Buck)轉(zhuǎn)換電路的電感和電容隨著使用時(shí)間的增力口，其電特性值發(fā)生改變]具有很強(qiáng)的魯棒性，其對(duì)于負(fù)載電流變化及電源內(nèi)部參數(shù)變化具有快速的響應(yīng)能力。因此，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的Buck型開(kāi)關(guān)電源能具有瞬態(tài)響應(yīng)速度快和魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于要求負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)迅速的電源系統(tǒng)中。為了在不同負(fù)載電流下，Buck型開(kāi)關(guān)電源變換器具有很快的響應(yīng)速度，需要對(duì)電路的工作狀態(tài)有較強(qiáng)的監(jiān)測(cè)能力。如果采用模擬控制的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，需要復(fù)雜的監(jiān)測(cè)電路。監(jiān)測(cè)電路復(fù)雜程度的增加，需要付出的功耗、面積等代價(jià)也隨之增大。而采用數(shù)字控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，只需要增加少量的邏輯和時(shí)序電路即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，并且可以根據(jù)應(yīng)用的需求，靈活地對(duì)電源進(jìn)行配置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制的Buck型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器及數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器，其采用數(shù)字控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并將其用于Buck變換電路，從而提供帶負(fù)載能力強(qiáng)、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)快、魯棒性好、監(jiān)測(cè)管理能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換效率高的直流穩(wěn)壓電源。本發(fā)明提供的采用數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制的Buck型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，包括
一 Buck型轉(zhuǎn)換模塊，具有控制端、供電電壓Vwt輸出端和反饋電壓Vfed輸出端；以及，一數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器，其第一輸入端REF接參考電壓V,ef，第二輸入端FED、輸出端OUT分別連接所述轉(zhuǎn)換模塊的反饋電壓Vfed輸出端和控制端；用于將所述參考電壓Vref和所述轉(zhuǎn)換模塊提供的反饋電壓Vfed分別轉(zhuǎn)換成參考時(shí)鐘信號(hào)fMf和反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed，根據(jù)所述參考電壓VMf、反饋電壓Vfran參考時(shí)鐘信號(hào)fMf和反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed分析測(cè)定所述轉(zhuǎn)換模塊的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制程序輸出相應(yīng)的控制信號(hào)U對(duì)所述轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行控制。其中，所述數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器主要包括第一電壓一頻率轉(zhuǎn)換模塊、第二電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊、頻率求差模塊、電壓比較模塊、狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊和狀態(tài)控制模塊等。第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接所述第一輸入端REF，用于轉(zhuǎn)換所述參考電壓為參考時(shí)鐘信號(hào)fMf ;第二電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接所述第二輸入端FED，用于將所述反饋電壓Vfed轉(zhuǎn)換為反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed ；電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路模塊，需要實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性度較好的電壓與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系。頻率求差模塊的兩輸入端分別連接所述第一、二電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸出端，用于對(duì)輸入的所述參考時(shí)鐘信號(hào)fMf和所述反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed求差輸出兩者的頻率差的絕對(duì)值fsub。電壓比較模塊的兩輸入端分別連接所述第一輸入端REF和第二輸入端FED，參考時(shí)鐘端接所述第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考時(shí)鐘信號(hào)fMf，以fMf作為參考時(shí)鐘，對(duì)Vref和Vfed進(jìn)行比較,輸出為該兩輸入電壓信號(hào)的比較結(jié)果信號(hào)compare ;當(dāng)Vref>Vfed時(shí),輸出信號(hào)compare為I ;Vref<Vfed時(shí),輸出信號(hào)compare為0,輸出信號(hào)compare提供給狀態(tài)控制豐吳塊。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的一輸入端接所述第二輸入端FED,另一輸入端接所述第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考時(shí)鐘信號(hào)fMf，用于根據(jù)輸入的所述參考時(shí)鐘信號(hào)fMf、所述反饋電壓Vfejd分析測(cè)定、提供所述轉(zhuǎn)換模塊的多個(gè)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)high、low、increase、decrease、error> lock。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)反饋時(shí)鐘ffed相對(duì)于參考時(shí)鐘fMf的頻率是高還是低；反饋時(shí)鐘ffed的頻率自身是正在變快還是正在變慢。反饋時(shí)鐘ffed和參考時(shí)鐘
頻率的大小關(guān)系分為以下三段
第一段是兩者之間的頻率差極大。當(dāng)ff6d遠(yuǎn)大于時(shí)，信號(hào)high=l有效，當(dāng)ff6d遠(yuǎn)小于時(shí)，信號(hào)Iow=I有效；
第二段是兩者之間的頻率差較小。當(dāng)ffe;d大于fraf時(shí)，信號(hào)error=0 ;當(dāng)ffed小于時(shí)，信號(hào)error=I ；
第三段是兩者頻率基本相等，此時(shí)信號(hào)Iock=I有效。當(dāng)ffed正在變快時(shí)，信號(hào)increase=l有效；當(dāng)ffed正在變慢時(shí),信號(hào)decrease=l有效。狀態(tài)控制模塊的各輸入端分別與所述頻率求差模塊的輸出端、所述電壓比較模塊的輸出端、所述狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的多個(gè)輸出端以及所述第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，其存儲(chǔ)有數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制程序；狀態(tài)控制模塊根據(jù)所述狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、頻率求差模塊、電壓比較模塊和第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊提供的多個(gè)輸出信號(hào)(即high、low,increase、decrease、error、lock、fsub、compare、fref),結(jié)合數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制算法,輸出相應(yīng)的控制信號(hào)u對(duì)Buck型降壓電路進(jìn)行控制。本發(fā)明Buck型降壓電路采用開(kāi)關(guān)控制的方式，因此，所述狀態(tài)控制模塊采用如下控制規(guī)則獲得控制信號(hào)U，
權(quán)利要求
1.一種采用數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制的Buck型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括一 Buck型轉(zhuǎn)換模塊，具有控制端、供電電壓Vwt輸出端和反饋電壓Vfed輸出端；以及， 一數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器，其第一輸入端REF接參考電壓V,ef，第二輸入端FED、輸出端 OUT分別連接所述轉(zhuǎn)換模塊的反饋電壓Vfed輸出端和控制端；用于將所述參考電壓VMf和所 述轉(zhuǎn)換模塊提供的反饋電壓Vfed分別轉(zhuǎn)換成參考時(shí)鐘信號(hào)fMf和反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed，根據(jù) 所述參考電壓VMf、反饋電壓Vfed、參考時(shí)鐘信號(hào)fMf和反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed分析測(cè)定所述轉(zhuǎn)換 模塊的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制程序輸出相應(yīng)的控制信號(hào)u對(duì)所述轉(zhuǎn) 換模塊進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器包括第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊，輸入端連接所述第一輸入端REF,用于轉(zhuǎn)換所述參考電壓 Vref為參考時(shí)鐘信號(hào)fraf ；第二電壓_頻率轉(zhuǎn)換模塊，輸入端連接所述第二輸入端FED，用于將所述反饋電壓Vfed 轉(zhuǎn)換為反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed ;頻率求差模塊，其兩輸入端分別連接所述第一、二電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸出端，用于 對(duì)輸入的所述參考時(shí)鐘信號(hào)和所述反饋時(shí)鐘信號(hào)ffral求差輸出兩者的頻率差的絕對(duì)值 fsub ；電壓比較模塊，其兩輸入端分別連接所述第一輸入端REF和第二輸入端FED，參考時(shí)鐘 端接所述第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考時(shí)鐘信號(hào)fMf，用于對(duì)輸入的所述參考電壓 Vref和所述反饋電壓Vfed比較，輸出比較結(jié)果信號(hào)compare ；狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，一輸入端接所述第二輸入端FED，另一輸入端接所述第一電壓_頻率轉(zhuǎn) 換模塊輸出的參考時(shí)鐘信號(hào)fMf，用于根據(jù)輸入的所述參考時(shí)鐘信號(hào)fMf、所述反饋電壓 分析測(cè)定、提供所述轉(zhuǎn)換模塊的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)high、low、increase、decrease、error、lock ； 及狀態(tài)控制模塊，其各輸入端分別與所述頻率求差模塊的輸出端、所述電壓比較模塊的 輸出端、所述狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的多個(gè)輸出端以及所述第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連 接，根據(jù)它們提供的多個(gè)輸出信號(hào)運(yùn)行其存儲(chǔ)的數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制程序輸出相應(yīng)的控制 信號(hào)u對(duì)所述轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行控制。
3.如權(quán)利要求2所述的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述狀態(tài)控制模塊采用如下控 制規(guī)則獲得控制信號(hào)u，
4.如權(quán)利要求2或3所述的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述頻率求差模塊采用D觸 發(fā)器，該D觸發(fā)器的D端接所述反饋時(shí)鐘信號(hào)fftd，時(shí)鐘輸入端接所述參考時(shí)鐘信號(hào)fMf。
5.用于Buck型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的一種數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器，其特征在于包括第一輸入端REF，接入?yún)⒖茧妷篤,ef;第二輸入端FED，接來(lái)自Buck型轉(zhuǎn)換模塊的反饋電壓Vfed 輸出端OUT,連接所述Buck型轉(zhuǎn)換模塊的控制端；第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊，輸入端連接所述第一輸入端REF,用于轉(zhuǎn)換所述參考電壓 Vref為參考時(shí)鐘信號(hào)fraf ；第二電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊，輸入端連接所述第二輸入端FED，用于將所述反饋電壓Vfed 轉(zhuǎn)換為反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed ;頻率求差模塊，其兩輸入端分別連接所述第一、二電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸出端，用于對(duì)輸入的所述參考時(shí)鐘信號(hào)和所述反饋時(shí)鐘信號(hào)ffed求差輸出兩者的頻率差的絕對(duì)值 fsub ；電壓比較模塊，其兩輸入端分別連接所述第一輸入端REF和第二輸入端FED，參考時(shí)鐘端接所述第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考時(shí)鐘信號(hào)fMf，用于對(duì)輸入的所述參考電壓 Vref和所述反饋電壓Vfed比較,輸出比較結(jié)果信號(hào)compare ；狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，一輸入端接所述第二輸入端FED，另一輸入端接所述第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊輸出的參考時(shí)鐘信號(hào)fMf，用于根據(jù)輸入的所述參考時(shí)鐘信號(hào)fMf、所述反饋電壓Vfed 分析測(cè)定、提供所述轉(zhuǎn)換模塊的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)high、low、increase、decrease、error、lock ； 及狀態(tài)控制模塊，其各輸入端分別與所述頻率求差模塊的輸出端、所述電壓比較模塊的輸出端、所述狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊的多個(gè)輸出端以及所述第一電壓-頻率轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接，根據(jù)它們提供的多個(gè)輸出信號(hào)運(yùn)行其存儲(chǔ)的數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制程序輸出相應(yīng)的控制信號(hào)u對(duì)所述轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行控制。
6.如權(quán)利要求5所述的數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器，其特征在于所述狀態(tài)控制模塊采用如下控制規(guī)則獲得控制信號(hào)u，
7.如權(quán)利要求5或6所述的數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器，其特征在于所述頻率求差模塊采用D觸發(fā)器，該D觸發(fā)器的D端接所述反饋時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘輸入端接所述參考時(shí)鐘信號(hào) fref°
全文摘要
一種采用數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制的Buck型開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器，包括Buck型轉(zhuǎn)換模塊，具有控制端、電壓Vout輸出端和反饋電壓Vfed輸出端；及，數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制器，其第一輸入端REF接一參考電壓，第二輸入端FED、輸出端OUT分別連接所述轉(zhuǎn)換模塊的反饋電壓Vfed輸出端和控制端。該控制器將所述參考電壓和所述轉(zhuǎn)換模塊提供的反饋電壓分別轉(zhuǎn)換成參考時(shí)鐘信號(hào)和反饋時(shí)鐘信號(hào),根據(jù)該兩個(gè)電壓信號(hào)、兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)分析測(cè)定所述轉(zhuǎn)換模塊的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，進(jìn)而采用數(shù)字滑模變結(jié)構(gòu)控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)所述Buck轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓的穩(wěn)定。本Buck型開(kāi)關(guān)電源監(jiān)測(cè)管理能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率高，具有負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)迅速以及魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M3/155GK103023321SQ20121050039
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者徐冠南, 賈晨, 王自強(qiáng), 鄭旭強(qiáng), 張春, 姜漢鈞, 陳虹, 王志華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院