[發明專利]DVS系統開關DC?DC變換器的混合控制電路及其控制方法

有效

• 申請號: 201410101234.5
• 申請日: 2014-03-18
• 公開（公告）號: CN103887972B
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 賈國棟;耿莉;王勝磊;李海啟
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02M3/157
• 分類號: H02M3/157
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

1.一種DVS系統開關DC-DC變換器的混合控制電路，其特征在于，包括DC-DC變換器主電路及其驅動模塊、量化范圍可調的FLASH-WINDOW-ADC、電容電流檢測模塊、數字PID補償模塊、數字滑模控制模塊、跳變檢測模塊、模式切換狀態機和數字脈沖寬度調制器；

DC-DC變換器的輸出端連接FLASH-WINDOW-ADC的輸入端、DVS控制模塊和電容電流檢測模塊的輸入端；DVS控制模塊的輸出端接FLASH-WINDOW-ADC的輸入端；FLASH-WINDOW-ADC的輸出端連接數字PID補償模塊的輸入端、數字滑模控制模塊的輸入端和跳變檢測模塊的輸入端；跳變檢測模塊的輸出端連接模式切換狀態機的輸入端，模式切換狀態機的輸出端連接數字PID補償模塊的輸入端和數字滑模控制模塊的輸入端；數字PID補償模塊的輸出端和數字滑模控制模塊的輸出端連接數字脈沖寬度調制器的輸入端，數字脈沖寬度調制器的輸出端通過兩路驅動模塊連接DC-DC變換器；

DC-DC變換器的輸出電壓V_out經過FLASH-WINDOW-ADC量化為數字碼，后經過數字PID補償模塊、數字脈沖寬度調制器、驅動模塊構成了線性數字PID控制環路；當DVS控制模塊反饋的數字碼保持恒定時，該線性數字PID控制環路工作以實現小紋波的輸出電壓；

DC-DC變換器輸出濾波電容電流經過電容電流檢測模塊量化為數字碼I_c[n]，與FLASH-WINDOW-ADC量化的輸出誤差信號e[n]，共同實現了數字滑模控制環路；當DVS控制模塊反饋的數字碼發生跳變時，該數字滑模控制環路工作以提高輸出電壓跟隨速度，當變換器恢復到穩態時，控制模式重新切換到PID控制。

2.根據權利要求1所述的DVS系統開關DC-DC變換器的混合控制電路，其特征在于，所述FLASH-WINDOW-ADC模塊具量化窗口可調功能來量化輸出電壓誤差e[n]，該FLASH-WINDOW-ADC總量化范圍為1.1V～2.7V，分為8個量化區間，每個量化區間的量化為200mV；所述FLASH-WINDOW-ADC由一個3位DAC、帶隙基準電路、電壓-電流轉化電路、串聯電阻網絡、動態比較器、動態鎖存器和編碼器組成；3位DAC的輸出端接帶隙基準電路和串聯電阻網絡，作為FLASH-WINDOW-ADC的量化范圍中心；帶隙基準電路輸出端接電壓-電流轉化電路；電壓-電流轉化電路的輸出端接串聯電阻網絡，提供串聯基準電流；串聯電阻網絡輸出端和ADC輸入分別接動態比較器的兩個輸入端，動態比較器的輸出端接動態鎖存器輸入端，得到溫度計碼；動態鎖存器輸出端接編碼器的輸入端，將溫度計碼轉化為5位數字碼。

3.根據權利要求2所述的DVS系統開關DC-DC變換器的混合控制電路，其特征在于，FLASH-WINDOW-ADC的5位輸出數字碼輸入到數字PID補償模塊，通過數字PID補償模塊得到9位的數字碼，用于調制數字脈沖寬度調制器產生占空比可調的方波信號；數字PID補償模塊由2階IIR數字濾波器實現，通過對功率級電路中存在的極點進行補償，保證環路的穩定性。

4.根據權利要求1所述的DVS系統開關DC-DC變換器的混合控制電路，其特征在于，數字滑模控制環路由電容電流采樣模塊和滑模控制模塊構成，該數字滑模控制環路由電容電流和輸出電壓誤差構成滑膜面，并迫使DC-DC變換器沿滑膜面以指數形式趨向穩定點。

5.根據權利要求1所述的DVS系統開關DC-DC變換器的混合控制電路，其特征在于，所述DVS系統開關DC-DC變換器的混合控制電路采用基于RLC匹配網絡的電容電流檢測模塊，將輸出電容電流轉化為電壓值。

6.根據權利要求1所述的DVS系統開關DC-DC變換器的混合控制電路，其特征在于，所述電容電流檢測模塊采用阻抗匹配、相位匹配，將輸出濾波電容的電流值經過一個檢測電路轉化為電壓信號，并通過FLASH-WINDOW-ADC將電容電流量化為數字碼。

7.權利要求1至6中任一項所述的DVS系統開關DC-DC變換器的混合控制電路的控制方法，其特征在于，包括：

DC-DC變換器啟動時，若RESET＝1，則控制電路被復位到0，DC-DC變換器輸出電壓V_out保持0V；若RESET＝0，控制電路工作，DC-DC變換器啟動；此時若|V_out-V_ref|＞V_th，V_th取3～5倍輸出電壓紋波，軟啟動電路啟動，控制電路輸出恒定占空比信號，使DC-DC變換器輸出電壓以恒定斜率充電到參考電壓V_ref；DC-DC變換器輸出電壓穩定到參考電壓時，線性數字PID控制環路工作，通過比例、積分、微分計算輸出控制信號；此時跳變檢測模塊檢測FLASH-WINDOW-ADC量化的誤差信號e[n]和電容電流檢測模塊量化的電容電流I_c[n]，當e[n]或I_c[n]超出誤差閾值窗口時，DC-DC變換器發生參考電壓/負載跳變，模式切換狀態機選擇數字滑模控制環路，控制電路輸出由滑模面決定，DC-DC變換器快速趨向新穩定狀態；當模式切換狀態機檢測誤差信號到e[n]＝0時，DC-DC變換器達到新穩定狀態，重新切換到數字PID控制環路，直到下一個DVS反饋信號到來；e[n]的閾值為50mV，I_c[n]的閾值為100mA。