[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

技術領域

本發明涉及數字開關變換器，尤其是一種快速瞬態響應的數字開關變換器及其控制方法，能夠克服數字變換器的時延效應，動態調節控制性能，有效提高變換器的瞬態響應性能。

背景技術

開關變換器作為電子產品的供電系統，其性能關系到電子產品工作的處理精度、可靠性和穩定性。傳統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，完備的監控功能，便于與數字系統接口，支持更多的協議，易于實現多種非線性控制算法。數字開關變換器存在數據的采樣、量化、數據處理、算法補償、DPWM生成等步驟，環路時延是數字控制系統中的固有缺陷，影響數字開關變換器瞬態響應性能。

開關變換器最常用的控制方法是PID控制，優點是設計簡單，但難以保證變換器在輸入和負載大范圍變化時的穩定性，這是由于變換器是非線性系統，難以抽象出PID控制所需的精確數學模型，從而控制器的控制效果和調節品質受限，難以獲得快速瞬態響應性能。

發明內容

為了降低數字變換器的時延效應和非線性效應對變換器瞬態響應性能的影響，本發明提供了一種快速瞬態響應的數字開關變換器，設置預測控制單元可以解決數字控制環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響應性能。

本發明采取的技術方案如下：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D_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。