[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

技術領域：

本發明屬于開關電源變換器領域，特別涉及動態電壓調整技術（Dynamic Voltage Scaling,DVS）中提高電壓轉換模塊開關DC-DC變換器的動態性能的控制電路及其控制方法。

背景技術：

隨著便攜式電子產品不斷地向小型化、全集成化、多功能化發展，消費者對于可便攜式電子產品的功能要求越來越高，但是電池容量的發展并沒有隨之提升，如何提高便攜式產品的待機時間、以最有效率的方式來使用電池有限的能量成為了一個研究熱點。動態電壓調整技術（DVS）就是一種被廣泛使用的減小系統總體功耗的方法。由于處理器在設計時一般滿足系統最大的性能要求，而移動終端在大部分的工作時間里并不需要這樣高的性能，因此，DVS技術在處理器計算負荷較輕的情況下，同時降低處理器的時鐘頻率和供電電壓以降低系統的能量消耗；當處理器計算負荷加重時，處理器的時鐘頻率和供電電壓快速提高以滿足系統性能要求。

一般的DVS控制電路一般由系統負載/溫度信息采集模塊、DVS控制算法模塊、時鐘產生模塊及DC-DC電壓變換器模塊四個部分組成。其中，DC-DC變換器為處理器提供不同的供電電壓，以滿足DVS系統所需要的多種工作電壓。DC-DC變換器應用到DVS系統需要具有以下的特點：1、能夠根據處理器的反饋信號動態地調節DC-DC變換器的輸出電壓；2、DC-DC變換器輸出電壓不僅需要較小的輸出紋波，還要具有良好的動態響應速度，特別是參考電壓變化的跟隨特性；3、DC-DC變換器自身具有較高的效率，控制電路消耗功耗少。

現階段，市場上的主流DC-DC變換器的解決方案是采用模擬控制環路，包括模擬電壓模控制、模擬電流模控制、模擬遲滯控制等。模擬控制環路很容易受到溫度、供電電壓及工藝（PVT）的影響，不利于系統的穩定；此外，模擬控制環路不具有可重構性，當輸出電壓或者電路參數發生變化時，補償電路難于相應調整，因此不適用于DVS系統的應用；最后，模擬控制環路補償網絡需要的大電容增加了版圖面積，不利于片上集成。

與模擬控制相比，數字控制策略具有良好的PVT特性、可編程性和高效率，可以很好地解決以上的問題。目前研究比較廣泛的數字控制有數字PID控制、數字V²控制、數字滑模控制等。其中，數字PID控制采用波特圖或根軌跡圖的方式，利用零點對開關DC-DC變換器中存在的兩個極點進行補償，保證變換器的穩定性，例如文獻：“Digital Controller for DVS-Enabled DC–DC Converter，”（Mukti Barai,IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL.25,NO.3,MARCH2010）。但所設計的帶寬和增益要滿足系統在不同狀態下的穩定性，研究者經常會采用過設計，這將會限制DVS功能的動態響應速度。數字V²控制同時采樣輸出電壓及其紋波，通過快慢兩個控制通路調制輸出電壓，具有良好的穩態性能和動態響應速度，其缺點是控制環路容易受到外界干擾，需要進行斜坡補償。例如文獻：“A Constant Frequency Output-Ripple-Voltage-Based Buck Converter Without Using Large ESR Capacitor”，（Yuan Yen Mai and Philip K.T.Mok,IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II:EXPRESS BRIEFS,VOL.55,NO.8,AUGUST2008）。數字滑模控制利用輸出誤差電壓和濾波電容電流構成滑模面，根據當前的狀態時時地改變系統結構，迫使系統按照預定“滑動模態”的狀態軌跡運動。由于滑動模態可以進行設計且與對象參數及擾動無關，因此數字滑模控制具有很好的魯棒性和動態響應速度，但其缺點是輸出紋波較大，且控制頻率與電路參數、輸出電壓有關，一般不直接作為DVS系統DC-DC變換器的控制電路。例如文獻：《基于BUCK型變換器的滑模變結構控制技術研究》，劉斌，浙江大學，2007年5月。

開關DC-DC變換器的主要性能參數包括效率、穩態輸出紋波、動態響應速度（包括輸出負載跳變響應速度、參考電壓跟隨響應速度和輸入電壓跳變響應速度）等。參考電壓跟隨響應速度是指當參考電壓發生變化時，輸出電壓達到新的穩定電壓所需要的時間，這一性能對于應用到DVS系統的開關DC-DC變換器尤為重要。