專利名稱：一種快速瞬態(tài)響應的數(shù)字開關變換器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字開關變換器，尤其是一種快速瞬態(tài)響應的數(shù)字開關變換器及其控制方法，能夠克服數(shù)字變換器的時延效應，動態(tài)調節(jié)控制性能，有效提高變換器的瞬態(tài)響應性能。
背景技術：
開關變換器作為電子產品的供電系統(tǒng)，其性能關系到電子產品工作的處理精度、可靠性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)模擬變換器存在固有的缺點，如工藝偏差、靈活性差、非線性不易補償、不方便集成等，使得其難以滿足便攜式產電子產品日益增長的要求，近年來備受關注的數(shù)字變換器減少了模擬變換器中常見問題，集成度高，功能擴展性強，完備的監(jiān)控功能，便于與數(shù)字系統(tǒng)接口，支持更多的協(xié)議，易于實現(xiàn)多種非線性控制算法。數(shù)字開關變換器存在數(shù)據(jù)的采樣、量化、數(shù)據(jù)處理、算法補償、DPWM生成等步驟，環(huán)路時延是數(shù)字控制系統(tǒng)中的固有缺陷，影響數(shù)字開關變換器瞬態(tài)響應性能。開關變換器最常用的控制方法是PID控制，優(yōu)點是設計簡單，但難以保證變換器在輸入和負載大范圍變化時的穩(wěn)定性，這是由于變換器是非線性系統(tǒng)，難以抽象出PID控制所需的精確數(shù)學模型，從而控制器的控制效果和調節(jié)品質受限，難以獲得快速瞬態(tài)響應性能。

發(fā)明內容
為了降低數(shù)字變換器的時延效應和非線性效應對變換器瞬態(tài)響應性能的影響，本發(fā)明提供了一種快速瞬態(tài)響應的數(shù)字開關變換器，設置預測控制單元可以解決數(shù)字控制環(huán)路中存在的時延問題，而模糊PID控制單元則借助模糊算法來降低變換器非線性特性對性能的影響，以期望有效提高變換器的瞬態(tài)響應性能。本發(fā)明采取的技術方案如下一種快速瞬態(tài)響應的數(shù)字開關變換器，其特征在于設有Buck型開關變換器功率級主拓撲結構、分壓單元、第一、第二兩個A/D采樣轉換單元、預測控制單元、模糊PID控制單元、數(shù)字脈寬調制單元和驅動單元，其中兩個A/D采樣轉換單元與預測控制單元連接，預測控制單元與模糊PID控制單元連接，模糊PID控制單元與數(shù)字脈寬調制單元連接，數(shù)字脈寬調制單元與驅動單元連接；Buck型開關變換器功率級主拓撲結構包括NMOS管Q1' PMOS管Q2、電感L、電容C和輸出負載電阻R，NMOS管Q1的漏極與輸入電壓Vin的正端連接，NMOS管Q1的源極和襯底與PMOS管Q2的漏極以及電感L的一端連接在一起，電感L的另一端與電容C的一端、第二A/D米樣轉換單兀的輸入端以及輸出負載電阻R的一端連接在一起,輸出負載電阻R的另一端、電容C的另一端以及PMOS管Q2的源極與輸入電壓Vin的負端連接在一起并接地；分壓單元包括兩個電阻R1及R2, R1的一端連接第二 A/D采樣轉換單元的輸入端，R1的另一端串聯(lián)電阻R2,電阻R2的另一端連接輸入電壓Vin的負端，電阻R1與R2的串聯(lián)端與第一 A/D采樣轉換單元的輸入端連接；
第一、第二 A/D采樣轉換單元的輸出端分別連接預測控制單元的兩個輸入端，預測控制單元的輸出信號和參考電壓VMf分別連接比較器的兩個輸入端，比較器輸出e[k+l]及Ae[k+1]兩個輸出信號；模糊PID控制單元包括模糊控制單元和PID控制單元，模糊控制單元的輸入端連接比較器輸出的e[k+l]及Ae[k+1]兩個信號，模糊控制單元輸出KpIi和Dd三個信號，分別連接至PID控制單元的輸入端，PID控制單元輸出離散占空比信號d[k]連接至數(shù)字脈寬調制單元的輸入端，數(shù)字脈寬調制單元輸出連續(xù)的占空比信號d[t]連接至驅動單元的輸入端，驅動單元的輸出端分別連接主拓撲結構中NMOS管Q1及PMOS管Q2的柵極。上述數(shù)字開關變換器的控制方法，其特征在于第一、第二 A/D采樣轉換單元分別對開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值ijt]進行采樣，經(jīng)過AD轉換變?yōu)閿?shù)字信號VJk]和i Jk]，預測控制單元根據(jù)采樣的數(shù)字輸出電壓值VJk]和電感電流值iL[t]，結合Buck型開關變換器主拓撲結構內在的輸出電壓與電感電流關系，預測出下一開關周期輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值ijk+l]，將輸出電壓值Vjk+Ι]與參考電壓Vref比較得到輸出電壓誤差值e[k+l]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+1]，模糊PID控制單元執(zhí)行模糊推理運算，根據(jù)e [k+Ι]和Λ e [k+1]在線調整PID的控制參數(shù)KpKi和KdPID控制單元執(zhí)行PID控制算法運算，輸出相應的占空比值；占空比值經(jīng)過數(shù)字脈寬調制單元和驅動單元輸出PWM控制信號，驅動開關變換器的功率管的開關狀態(tài)來調節(jié)其輸出電壓值；具體方法是I)在第k個開關周期的初始，分別采樣開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值i Jt]，經(jīng)過AD轉換得到相應的數(shù)字離散輸出電壓值V。[k]和電感電流值iL[k];2)第k周期數(shù)字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]作為預測控制單元的兩輸入信號，根據(jù)Buck型開 關變換器主拓撲結構所內在的輸出電壓與電感電流關系，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數(shù)字離散輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值iL[k+l];3)將預測的數(shù)字輸出電壓值V。[k+Ι]與參考電壓值VMf作比較，得到輸出電壓誤差值e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+Ι]，這樣，下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Λ e提前被應用輸入到模糊PID控制單元，以降低數(shù)字系統(tǒng)環(huán)路時延的影響；4)模糊PID控制單元根據(jù)e[k+l]和Δ e[k+Ι]值,采用模糊控制分別在線調節(jié)ΛΚρ、AKi和AKd值，與第k-Ι周期的Kp、Ki和Kd值相加，得到第k周期的PID控制參數(shù)值Kp、Ki和Kd，PID控制單元以第k周期對應的Kp、Ki和Kd值為控制參數(shù)，根據(jù)e[k+l]和Ae [k+Ι]值，控制輸出占空比信號d[k]；5)數(shù)字脈寬調制單元根據(jù)輸入占空比值d[k]輸出相應的PWM信號d[t]，經(jīng)驅動電路驅動開關變換器的功率管NMOS管Q1及PMOS管Q2的開關狀態(tài)，從而調節(jié)開關變換器的輸出電壓；6 )將5 )的輸出電壓和對應電感電流值經(jīng)采樣電路再次采樣轉換，依次經(jīng)過預測控制單元、模糊PID控制單元、數(shù)字脈寬調制單元和驅動單元，形成新的PWM信號控制功率管開關，循環(huán)控制直至開關變換器輸出電壓值與參考電壓值一致。本發(fā)明的優(yōu)點及有益成果
I)本發(fā)明通過預測控制單元有效補償數(shù)字開關變換器控制環(huán)路中存在的時延問題，降低了由于時延效應所引起的控制滯后，提高了開關變換器瞬態(tài)變化相應能力；2)本發(fā)明通過模糊PID控制，根據(jù)變換器實時狀態(tài)動態(tài)調節(jié)基本PID控制參數(shù)以克服開關變換器固有的非線性特性對瞬態(tài)性能的影響，優(yōu)化了數(shù)字變換器的瞬態(tài)調節(jié)性倉泛;3)本發(fā)明總體性能優(yōu)越，且具有可擴展性和可移植性，可以擴展應用于其他拓撲結構的DC-DC變換器；4)采用數(shù)字控制實現(xiàn)方式，相對于模擬控制更為靈活，可重構性強。


圖1是本發(fā)明數(shù)字開關變換器的整體環(huán)路結構框圖；圖2是本發(fā)明預測控制單元的信號流程框圖；圖3是本發(fā)明數(shù)字開關變換器模糊PID控制流程框圖；圖4是本發(fā)明Λ Kp的模糊控制規(guī)則表；圖5是本發(fā)明AKi的模糊控制規(guī)則表；圖6是本發(fā)明AKd的模糊控制規(guī)則表。
具體實施例方式參看圖1，本發(fā)明數(shù)字開關變換器包括Buck型開關變換器功率級主拓撲結構、分壓單元、第一、第二 A/D采樣轉換單元、預測控制單元、模糊PID控制單元、數(shù)字脈寬調制(DPWM)單元和驅動單元。Buck型開關變換器功率級主拓撲結構包括NMOS管QpPMOS管Q2、電感L、電容C和輸出負載電阻R.，拓撲結構的輸入端與輸入電壓Vin連接，MOS管與驅動單兀的輸出信號連接，輸出負載電阻R與分壓單兀連接，分壓單兀由分壓電阻R1和R2串聯(lián)而成，輸出端的分壓電壓信號VJt]與A/D轉換單元I的輸入端連接，A/D轉換單元2的輸入端與電感電流信號ijt]連接，預測控制單元執(zhí)行預測控制算法，輸入端分別與A/D轉換單元I和A/D轉換單元2的輸出信號Vi [k]和ijk]連接，預測控制單元的輸出信號V。[k+Ι]與參考電壓值Vref做比較運算分別得到輸出信號e[k+l]和Ae[k+Ι]，與模糊PID控制單元輸入端連接，模糊PID單元包括模糊控制單元與PID控制單元，模糊控制單元執(zhí)行模糊推理運算，與信號e [k+Ι]和Ae [k+Ι]連接，輸出信號為KpKi和Kd，PID控制單元執(zhí)行PID控制算法運算，輸出離散占空比信號d[k]，數(shù)字脈寬調制單元的輸入端與離散占空比信號d[k]連接，輸出連續(xù)的占空比信號d[t]，驅動單元的輸入端與數(shù)字脈寬調制單元的輸出信號d[t]連接，輸出端分別與功率級主拓撲結構的NMOS管和PMOS管柵極連接。本發(fā)明數(shù)字開關變換器的控制方法是第一、第二 A/D采樣轉換單元分別對開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值ijt]進行采樣，經(jīng)過AD轉換變?yōu)閿?shù)字信號VJk]和i Jk]，預測控制單元根據(jù)采樣的數(shù)字輸出電壓值VJk]和電感電流值ijt]，結合Buck型開關變換器主拓撲結構內在的輸出電壓與電感電流關系，預測出下一開關周期輸出電壓值V。[k+Ι]和電感電流值1&+1]，將輸出電壓值￥。[1^1]與參考電壓Vref比較得到輸出電壓誤差值e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+1]，模糊PID控制單元執(zhí)行模糊推理運算，根據(jù)e [k+Ι]和Λ e [k+Ι]在線調整PID的控制參數(shù)Kp、Ki和Kd，PID控制單元執(zhí)行PID控制算法運算，輸出相應的占空比值；占空比值經(jīng)過數(shù)字脈寬調制單元和驅動單元輸出PWM控制信號，驅動開關變換器的功率管的開關狀態(tài)來調節(jié)其輸出電壓值；具體方法是I)在第k個開關周期的初始，分別采樣開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值i Jt]，經(jīng)過AD轉換得到相應的數(shù)字離散輸出電壓值V。[k]和電感電流值iL[k];2)第k周期數(shù)字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]作為預測控制單元的兩輸入信號，根據(jù)Buck型開關變換器主拓撲結構所內在的輸出電壓與電感電流關系，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數(shù)字離散輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值iL[k+l];3)將預測的數(shù)字輸出電壓值V。[k+Ι]與參考電壓值VMf作比較，得到輸出電壓誤差值e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+Ι]，這樣，下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Λ e提前被應用輸入到模糊PID控制單元，以降低數(shù)字系統(tǒng)環(huán)路時延的影響；4)模糊PID控制單元根據(jù)e[k+l]和Ae [k+Ι]值，采用模糊控制分別在線調節(jié)ΛΚρ、AKi和AKd值，與第k-Ι周期的Kp、Ki和Kd值相加，得到第k周期的PID控制參數(shù)值Kp、Ki和Kd，PID控制單元以第k周期對應的Kp、Ki和Kd值為控制參數(shù)，根據(jù)e[k+l]和Ae [k+Ι]值，控制輸出占空比信號d[k]；5)數(shù)字脈寬調制單元根據(jù)輸入占空比值d[k]輸出相應的PWM信號d[t]，經(jīng)驅動電路驅動開關變換器的功率管NMOS管Q1及PMOS管Q2的開關狀態(tài)，從而調節(jié)開關變換器的輸出電壓；6 )將5 )的輸出電壓和對應電感電流值經(jīng)采樣電路再次采樣轉換，依次經(jīng)過預測控制單元、模糊PID控制單元、DPWM單元和驅動單元，形成新的PWM信號控制功率管開關，循環(huán)控制直至開關變換器輸出電壓值與參考電壓值一致。預測控制單元所執(zhí)行預測控制算法的流程框圖如圖2。首先設定合理的插值點個數(shù)n，(插值點個數(shù)η的選取是預測計算量與預測輸出精度的平衡，在預測精度滿足條件下選擇盡可能小的插值點數(shù)以降低預測計算量)，第k周期數(shù)字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]作為預測控制單元的兩輸入信號，根據(jù)Buck型開關變換器主拓撲結構所內在的輸出電壓與電感電流關系，進行η次迭代運算，預測出第k+Ι周期的數(shù)字離散輸出電壓值V0[k+Ι]和電感電流值ijk+l]。具體單次迭代計算過程如下假設開關變換器各元件均為理想元件，即不考慮開關管的導通壓降，電感和輸出電容的寄生電阻等參數(shù)，電感電流的關系在開關管導通和關斷情況分別為(I)和(2)式，電
容的關系表示為(3)式

權利要求
1.一種快速瞬態(tài)響應的數(shù)字開關變換器，其特征在于設有Buck型開關變換器功率級主拓撲結構、分壓單元、第一、第二兩個A/D采樣轉換單元、預測控制單元、模糊PID控制單元、數(shù)字脈寬調制單元和驅動單元，其中兩個A/D采樣轉換單元與預測控制單元連接，預測控制單元與模糊PID控制單元連接，模糊PID控制單元與數(shù)字脈寬調制單元連接，數(shù)字脈寬調制單元與驅動單元連接； Buck型開關變換器功率級主拓撲結構包括NMOS管QpPMOS管Q2、電感L、電容C和輸出負載電阻R，NMOS管Q1的漏極與輸入電壓Vin的正端連接，NMOS管Q1的源極和襯底與PMOS管Q2的漏極以及電感L的一端連接在一起，電感L的另一端與電容C的一端、第二 A/D米樣轉換單兀的輸入端以及輸出負載電阻R的一端連接在一起，輸出負載電阻R的另一端、電容C的另一端以及PMOS管Q2的源極與輸入電壓Vin的負端連接在一起并接地； 分壓單元包括兩個電阻R1及R2, R1的一端連接第二 A/D采樣轉換單元的輸入端，R1的另一端串聯(lián)電阻R2,電阻R2的另一端連接輸入電壓Vin的負端，電阻R1與R2的串聯(lián)端與第一A/D采樣轉換單元的輸入端連接； 第一、第二 A/D采樣轉換單元的輸出端分別連接預測控制單元的兩個輸入端，預測控制單元的輸出信號和參考電壓VMf分別連接比較器的兩個輸入端，比較器輸出e[k+l]及Δ e[k+l]兩個輸出信號； 模糊PID控制單元包括模糊控制單元和PID控制單元，模糊控制單元的輸入端連接比較器輸出的e[k+l]及Ae[k+1]兩個信號，模糊控制單元輸出KpIi和Kd三個信號，分別連接至PID控制單元的輸入端，PID控制單元輸出離散占空比信號d[k]連接至數(shù)字脈寬調制單元的輸入端，數(shù)字脈寬調制單元輸出連續(xù)的占空比信號d[t]連接至驅動單元的輸入端，驅動單元的輸出端分別連接主拓撲結構中NMOS管Q1及PMOS管Q2的柵極。
2.根據(jù)權利要求1所述數(shù)字開關變換器的控制方法，其特征在于第一、第二A/D采樣轉換單元分別對開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值ijt]進行采樣，經(jīng)過AD轉換變?yōu)閿?shù)字信號VJk]和i Jk]，預測控制單元根據(jù)采樣的數(shù)字輸出電壓值VJk]和電感電流值ijt]，結合Buck型開關變換器主拓撲結構內在的輸出電壓與電感電流關系，預測出下一開關周期輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值ijk+l]，將輸出電壓值Vjk+l]與參考電壓Vref比較得到輸出電壓誤差值e[k+l]和輸出電壓誤差偏差值Ae[k+1]，模糊PID控制單元執(zhí)行模糊推理運算，根據(jù)e [k+Ι]和Λ e [k+1]在線調整PID的控制參數(shù)Kp、Ki和Kd，PID控制單元執(zhí)行PID控制算法運算，輸出相應的占空比值；占空比值經(jīng)過數(shù)字脈寬調制單元和驅動單元輸出PWM控制信號，驅動開關變換器的功率管的開關狀態(tài)來調節(jié)其輸出電壓值；具體方法是 1)在第k個開關周期的初始，分別采樣開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值iJt]，經(jīng)過AD轉換得到相應的數(shù)字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]； 2)第k周期數(shù)字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]作為預測控制單元的兩輸入信號，根據(jù)Buck型開關變換器主拓撲結構所內在的輸出電壓與電感電流關系，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數(shù)字離散輸出電壓值Vjk+1]和電感電流值iL[k+l]; 3)將預測的數(shù)字輸出電壓值V。[k+Ι]與參考電壓值Vref作比較，得到輸出電壓誤差值e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差值Λ e [k+1]，這樣，下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Λ e提前被應用輸入到模糊PID控制單元，以降低數(shù)字系統(tǒng)環(huán)路時延的影響； 4)模糊PID控制單元根據(jù)e[k+Ι]和Δe[k+1]值，采用模糊控制分別在線調節(jié)ΔΚρ、Δ Ki和ΔKd值，與第k-1周期的Kp、Ki和Kd值相加，得到第k周期的PID控制參數(shù)值Kp、Ki和Kd，PID控制單元以第k周期對應的Kp、Ki和Kd值為控制參數(shù)，根據(jù)e [k+1]和Δe [k+1]值，控制輸出占空比信號d[k]； .5)數(shù)字脈寬調制單元根據(jù)輸入占空比值d[k]輸出相應的PWM信號d[t]，經(jīng)驅動電路驅動開關變換器的功率管NMOS管Q1及PMOS管Q2的開關狀態(tài)，從而調節(jié)開關變換器的輸出電壓； . 6 )將5 )的輸出電壓和對應電感電流值經(jīng)采樣電路再次采樣轉換，依次經(jīng)過預測控制單元、模糊PID控制單元、數(shù)字脈寬調制單元和驅動單元，形成新的PWM信號控制功率管開關，循環(huán)控制直至開關變換器輸出電壓值與參考電壓值一致。
全文摘要
一種具有快速瞬態(tài)響應能力的數(shù)字開關變換器，包括Buck型開關變換器功率級主拓撲結構、A/D采樣轉換單元、預測控制單元、模糊PID控制單元、DPWM單元和驅動單元。A/D采樣轉換單元分別采樣開關變換器的模擬輸出電壓值和模擬電感電流值，將模擬信號轉換成數(shù)字信號；預測控制單元根據(jù)A/D采樣數(shù)字信號值結合Buck型開關變換器主拓撲結構預測下一開關周期輸出電壓值；模糊PID控制單元根據(jù)輸出電壓誤差值和輸出電壓誤差偏差值確定開關周期的占空比值，DPWM單元和驅動單元根據(jù)占空比值輸出相應的PWM驅動開管變換器的功率管的開關狀態(tài)來調節(jié)輸出電壓值。
文檔編號H02M3/158GK103051186SQ201210589750
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月29日 優(yōu)先權日2012年12月29日
發(fā)明者徐申, 孫大鷹, 田野, 宋慧濱, 王青, 孫偉鋒, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學