[發明專利]一種快速瞬態響應的數字開關變換器及其控制方法

有效

• 申請號: 201210589750.8
• 申請日: 2012-12-29
• 公開（公告）號: CN103051186A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 徐申;孫大鷹;田野;宋慧濱;王青;孫偉鋒;陸生禮;時龍興
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02M3/157
• 分類號: H02M3/157;H02M3/158
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

1.一種快速瞬態響應的數字開關變換器，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控制單元與數字脈寬調制單元連接，數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V_in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采樣轉換單元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V_in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的另一端串聯電阻R₂，電阻R₂的另一端連接輸入電壓V_in的負端，電阻R₁與R₂的串聯端與第一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V_ref分別連接比較器的兩個輸入端，比較器輸出e[k+1]及Δe[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+1]及Δe[k+1]兩個信號，模糊控制單元輸出K_p、K_i和K_d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]連接至數字脈寬調制單元的輸入端，數字脈寬調制單元輸出連續的占空比信號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.根據權利要求1所述數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V_o[t]和模擬電感電流值i_L[t]進行采樣，經過AD轉換變為數字信號V_o[k]和i_L[k]，預測控制單元根據采樣的數字輸出電壓值V_o[k]和電感電流值i_L[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V_o[k+1]和電感電流值i_L[k+1]，將輸出電壓值V_o[k+1]與參考電壓V_ref比較得到輸出電壓誤差值e[k+1]和輸出電壓誤差偏差值Δe[k+1]，模糊PID控制單元執行模糊推理運算，根據e[k+1]和Δe[k+1]在線調整PID的控制參數K_p、K_i和K_d，PID控制單元執行PID控制算法運算，輸出相應的占空比值；占空比值經過數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來調節其輸出電壓值；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V_o[t]和模擬電感電流值i_L[t]，經過AD轉換得到相應的數字離散輸出電壓值V_o[k]和電感電流值i_L[k]；

2）第k周期數字離散輸出電壓值V_o[k]和電感電流值i_L[k]作為預測控制單元的兩輸入信號，根據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n個插值點作迭代運算，預測求得第k+1周期的數字離散輸出電壓值V_o[k+1]和電感電流值i_L[k+1]；

3）將預測的數字輸出電壓值V_o[k+1]與參考電壓值V_ref作比較，得到輸出電壓誤差值e[k+1]和輸出電壓誤差偏差值Δe[k+1]，這樣，下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Δe提前被應用輸入到模糊PID控制單元，以降低數字系統環路時延的影響；

4）模糊PID控制單元根據e[k+1]和Δe[k+1]值，采用模糊控制分別在線調節ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d值，與第k-1周期的K_p、K_i和K_d值相加，得到第k周期的PID控制參數值K_p、K_i和K_d，PID控制單元以第k周期對應的K_p、K_i和K_d值為控制參數，根據e[k+1]和Δe[k+1]值，控制輸出占空比信號d[k]；

5）數字脈寬調制單元根據輸入占空比值d[k]輸出相應的PWM信號d[t]，經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，從而調節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采樣電路再次采樣轉換，依次經過預測控制單元、模糊PID控制單元、數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，循環控制直至開關變換器輸出電壓值與參考電壓值一致。