[發明專利]一種基于模糊PI控制與時間數字轉換的低壓差穩壓電路

在審

• 申請號: 202110365560.7
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113093851A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 陳志杰;呂生平;文家寶;么以銘;張洪達
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05F1/56
• 分類號: G05F1/56
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種基于模糊PI控制與時間數字轉換的低壓差穩壓電路，該電路包括：電壓時間轉換單元、時間數字轉換單元、模糊PI控制單元、晶體管陣列和負載；本發明對數字信號控制部分進行改進，最大限度地提升了調節速度，增加了抗干擾能力。本發明采用模糊PI控制單元代替傳統數字低壓差穩壓器的移位寄存器單元，能夠有效減少系統中模擬電路所占比例，縮小電路所占面積，加快系統響應速度，增強電路抗干擾能力，提升穩壓器性能。

技術領域

本發明涉及一種基于模糊PI控制與時間數字轉換的低壓差穩壓電路，屬于直流穩壓電源技術領域。

背景技術

隨著電子系統集成度的增加，電源管理的重要性日益提升，如何獲得準確且恒定的電壓正逐漸成為電路設計者最關心的問題之一。低壓差穩壓器作為一種常用的電源管理模塊，能夠有效降低電壓的波動，在輸入電壓或負載發生變化時，確保輸出電壓維持在恒定水平。與傳統線性穩壓器相比，低壓差穩壓器可以獲得與輸入電壓相近的輸出電壓，且自身功耗較低，有利于提高電源效率。同時，低壓差穩壓器在噪聲和電路復雜性方面均具有優勢，因而取得了廣泛應用。

傳統低壓差穩壓器多利用模擬電路實現，即模擬低壓差穩壓器。它具有效率高、電源抑制比高、電壓紋波小和響應速度快等諸多優勢。然而，在低電壓環境工作時，模擬低壓差穩壓器會出現帶寬和增益降低的現象。隨著集成電路技術的發展，電源電壓持續減小，模擬低壓差穩壓器的性能將不斷減弱。另一方面，將模擬電路集成在數字單元中具有一定難度，這限制了模擬低壓差穩壓器在數字負載中的應用。基于上述原因，數字低壓差穩壓器應運而生。作為一種新的穩壓器解決方案，數字低壓差穩壓器的控制部分由數字電路來實現，便于集成在數字單元中。

目前數字低壓差穩壓器工作的基本原理是：利用比較器對輸出電壓與參考電壓進行比較，移位寄存器根據比較結果單比特調整輸出。移位寄存器的每一位輸出均與一個PMOS晶體管的柵極相連，可通過改變輸出“0”、“1”的位數來控制開啟的晶體管數量，進而控制輸出電流和輸出電壓。當輸出電壓大于參考電壓時，比較器輸出低電平，移位寄存器進行移位以減少輸出“0”的位數，處于開啟狀態的晶體管數量隨之減小，進而輸出電流和輸出電壓降低，輸出電壓重新回到正常水平；當輸出電壓小于參考電壓時，比較器輸出高電平，移位寄存器向另一方向進行移位以增加輸出“0”的位數，處于開啟狀態的晶體管數量隨之增大，進而輸出電流和輸出電壓升高，輸出電壓重新回到正常水平。由于移位寄存器調整速率為1bit/cycle，導致該穩壓器結構調節速度緩慢，無法滿足調節速度不斷提升的要求。本發明利用電壓時間轉換單元及時間數字轉換單元，將輸出電壓由模擬量轉換為數字量進行處理，大幅度提升瞬態響應速度。

盡管數字低壓差穩壓器的控制部分采用數字形式，但比較器等部分仍需要使用模擬電路來實現，這意味著整個電路中的模擬部分依然占有很大比重，難以有效減小電路尺寸。而移位寄存器只能進行單比特調節，限制了電路的速度，使得系統對環境突變難以做出迅速響應。本發明在對信號的處理中引入時間維度，通過時間數字轉換進行將信號轉換至數字域進行處理，實現了多比特調節，同時使用模糊PI控制的方式，進一步提高了系統的調節速度。此外，本發明顯著減小電路中的模擬部分所占比例，有利于系統集成。本發明能夠克服現有技術的不足，進一步改善低壓差穩壓器的性能。

發明內容

本發明對傳統數字低壓差穩壓器中的移位寄存器進行改進，利用模糊PI控制單元，針對調節過程中反饋的輸出值，通過一定的模糊規則動態調整PI算法中的比例與積分系數。實現調節速度的提升及抗噪聲能力的增強。

上述的目的通過以下的技術方案實現：

一種基于模糊PI控制與時間數字轉換的低壓差穩壓電路，該電路包括：電壓時間轉換單元、時間數字轉換單元、模糊PI控制單元、晶體管陣列和負載；