一種快速瞬態響應的數字開關變換器及其控制方法
2023-10-20 03:47:42 4
專利名稱：一種快速瞬態響應的數字開關變換器及其控制方法
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，其性能關係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，使得其難以滿足可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，便於與數字系統接口，支持更多的協議，易於實現多種非線性控制算法。數字開關變換器存在數據的採樣、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範圍變化時的穩定性，這是由於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控制單元則藉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。本發明採取的技術方案如下一種快速瞬態響應的數字開關變換器，其特徵在於設有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採樣轉換單元、預測控制單元、模糊PID控制單元、數字脈寬調製單元和驅動單元，其中兩個A/D採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製單元連接，數字脈寬調製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Vin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米樣轉換單兀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Vin的負端連接在一起並接地；分壓單元包括兩個電阻R1及R2, R1的一端連接第二 A/D採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Vin的負端，電阻R1與R2的串聯端與第一 A/D採樣轉換單元的輸入端連接；
第一、第二 A/D採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VMf分別連接比較器的兩個輸入端，比較器輸出e[k+l]及Ae[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+l]及Ae[k+1]兩個信號，模糊控制單元輸出KpIi和Dd三個信號，分別連接至PID控制單元的輸入端，PID控制單元輸出離散佔空比信號d[k]連接至數字脈寬調製單元的輸入端，數字脈寬調製單元輸出連續的佔空比信號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。上述數字開關變換器的控制方法，其特徵在於第一、第二 A/D採樣轉換單元分別對開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值ijt]進行採樣，經過AD轉換變為數位訊號VJk]和i Jk]，預測控制單元根據採樣的數字輸出電壓值VJk]和電感電流值iL[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係，預測出下一開關周期輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值ijk+l]，將輸出電壓值Vjk+Ι]與參考電壓Vref比較得到輸出電壓誤差值e[k+l]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+1]，模糊PID控制單元執行模糊推理運算，根據e [k+Ι]和Λ e [k+1]在線調整PID的控制參數KpKi和KdPID控制單元執行PID控制算法運算，輸出相應的佔空比值；佔空比值經過數字脈寬調製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I)在第k個開關周期的初始，分別採樣開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值i Jt]，經過AD轉換得到相應的數字離散輸出電壓值V。[k]和電感電流值iL[k];2)第k周期數字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]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係，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數字離散輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值iL[k+l];3)將預測的數字輸出電壓值V。[k+Ι]與參考電壓值VMf作比較，得到輸出電壓誤差值e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+Ι]，這樣，下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Λ e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+l]和Δ e[k+Ι]值,採用模糊控制分別在線調節ΛΚρ、AKi和AKd值，與第k-Ι周期的Kp、Ki和Kd值相加，得到第k周期的PID控制參數值Kp、Ki和Kd，PID控制單元以第k周期對應的Kp、Ki和Kd值為控制參數，根據e[k+l]和Ae [k+Ι]值，控制輸出佔空比信號d[k]；5)數字脈寬調製單元根據輸入佔空比值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採樣電路再次採樣轉換，依次經過預測控制單元、模糊PID控制單元、數字脈寬調製單元和驅動單元，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。本發明的優點及有益成果
I)本發明通過預測控制單元有效補償數字開關變換器控制環路中存在的時延問題，降低了由於時延效應所引起的控制滯後，提高了開關變換器瞬態變化相應能力；2)本發明通過模糊PID控制，根據變換器實時狀態動態調節基本PID控制參數以克服開關變換器固有的非線性特性對瞬態性能的影響，優化了數字變換器的瞬態調節性倉泛;3)本發明總體性能優越，且具有可擴展性和可移植性，可以擴展應用於其他拓撲結構的DC-DC變換器；4)採用數字控制實現方式，相對於模擬控制更為靈活，可重構性強。
圖1是本發明數字開關變換器的整體環路結構框圖；圖2是本發明預測控制單元的信號流程框圖；圖3是本發明數字開關變換器模糊PID控制流程框圖；圖4是本發明Λ Kp的模糊控制規則表；圖5是本發明AKi的模糊控制規則表；圖6是本發明AKd的模糊控制規則表。
具體實施例方式參看圖1，本發明數字開關變換器包括Buck型開關變換器功率級主拓撲結構、分壓單元、第一、第二 A/D採樣轉換單元、預測控制單元、模糊PID控制單元、數字脈寬調製(DPWM)單元和驅動單元。Buck型開關變換器功率級主拓撲結構包括NMOS管QpPMOS管Q2、電感L、電容C和輸出負載電阻R.，拓撲結構的輸入端與輸入電壓Vin連接，MOS管與驅動單兀的輸出信號連接，輸出負載電阻R與分壓單兀連接，分壓單兀由分壓電阻R1和R2串聯而成，輸出端的分壓電壓信號VJt]與A/D轉換單元I的輸入端連接，A/D轉換單元2的輸入端與電感電流信號ijt]連接，預測控制單元執行預測控制算法，輸入端分別與A/D轉換單元I和A/D轉換單元2的輸出信號Vi [k]和ijk]連接，預測控制單元的輸出信號V。[k+Ι]與參考電壓值Vref做比較運算分別得到輸出信號e[k+l]和Ae[k+Ι]，與模糊PID控制單元輸入端連接，模糊PID單元包括模糊控制單元與PID控制單元，模糊控制單元執行模糊推理運算，與信號e [k+Ι]和Ae [k+Ι]連接，輸出信號為KpKi和Kd，PID控制單元執行PID控制算法運算，輸出離散佔空比信號d[k]，數字脈寬調製單元的輸入端與離散佔空比信號d[k]連接，輸出連續的佔空比信號d[t]，驅動單元的輸入端與數字脈寬調製單元的輸出信號d[t]連接，輸出端分別與功率級主拓撲結構的NMOS管和PMOS管柵極連接。本發明數字開關變換器的控制方法是第一、第二 A/D採樣轉換單元分別對開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值ijt]進行採樣，經過AD轉換變為數位訊號VJk]和i Jk]，預測控制單元根據採樣的數字輸出電壓值VJk]和電感電流值ijt]，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係，預測出下一開關周期輸出電壓值V。[k+Ι]和電感電流值1&+1]，將輸出電壓值￥。[1^1]與參考電壓Vref比較得到輸出電壓誤差值e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+1]，模糊PID控制單元執行模糊推理運算，根據e [k+Ι]和Λ e [k+Ι]在線調整PID的控制參數Kp、Ki和Kd，PID控制單元執行PID控制算法運算，輸出相應的佔空比值；佔空比值經過數字脈寬調製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I)在第k個開關周期的初始，分別採樣開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值i Jt]，經過AD轉換得到相應的數字離散輸出電壓值V。[k]和電感電流值iL[k];2)第k周期數字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]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係，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數字離散輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值iL[k+l];3)將預測的數字輸出電壓值V。[k+Ι]與參考電壓值VMf作比較，得到輸出電壓誤差值e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+Ι]，這樣，下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Λ e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+l]和Ae [k+Ι]值，採用模糊控制分別在線調節ΛΚρ、AKi和AKd值，與第k-Ι周期的Kp、Ki和Kd值相加，得到第k周期的PID控制參數值Kp、Ki和Kd，PID控制單元以第k周期對應的Kp、Ki和Kd值為控制參數，根據e[k+l]和Ae [k+Ι]值，控制輸出佔空比信號d[k]；5)數字脈寬調製單元根據輸入佔空比值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採樣電路再次採樣轉換，依次經過預測控制單元、模糊PID控制單元、DPWM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。預測控制單元所執行預測控制算法的流程框圖如圖2。首先設定合理的插值點個數n，(插值點個數η的選取是預測計算量與預測輸出精度的平衡，在預測精度滿足條件下選擇儘可能小的插值點數以降低預測計算量)，第k周期數字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]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係，進行η次迭代運算，預測出第k+Ι周期的數字離散輸出電壓值V0[k+Ι]和電感電流值ijk+l]。具體單次迭代計算過程如下假設開關變換器各元件均為理想元件，即不考慮開關管的導通壓降，電感和輸出電容的寄生電阻等參數，電感電流的關係在開關管導通和關斷情況分別為(I)和(2)式，電
容的關係表示為(3)式
權利要求
1.一種快速瞬態響應的數字開關變換器，其特徵在於設有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採樣轉換單元、預測控制單元、模糊PID控制單元、數字脈寬調製單元和驅動單元，其中兩個A/D採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製單元連接，數字脈寬調製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QpPMOS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Vin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米樣轉換單兀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Vin的負端連接在一起並接地； 分壓單元包括兩個電阻R1及R2, R1的一端連接第二 A/D採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Vin的負端，電阻R1與R2的串聯端與第一A/D採樣轉換單元的輸入端連接； 第一、第二 A/D採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VMf分別連接比較器的兩個輸入端，比較器輸出e[k+l]及Δ e[k+l]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+l]及Ae[k+1]兩個信號，模糊控制單元輸出KpIi和Kd三個信號，分別連接至PID控制單元的輸入端，PID控制單元輸出離散佔空比信號d[k]連接至數字脈寬調製單元的輸入端，數字脈寬調製單元輸出連續的佔空比信號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，其特徵在於第一、第二A/D採樣轉換單元分別對開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值ijt]進行採樣，經過AD轉換變為數位訊號VJk]和i Jk]，預測控制單元根據採樣的數字輸出電壓值VJk]和電感電流值ijt]，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係，預測出下一開關周期輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值ijk+l]，將輸出電壓值Vjk+l]與參考電壓Vref比較得到輸出電壓誤差值e[k+l]和輸出電壓誤差偏差值Ae[k+1]，模糊PID控制單元執行模糊推理運算，根據e [k+Ι]和Λ e [k+1]在線調整PID的控制參數Kp、Ki和Kd，PID控制單元執行PID控制算法運算，輸出相應的佔空比值；佔空比值經過數字脈寬調製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，分別採樣開關變換器的模擬輸出電壓VJt]和模擬電感電流值iJt]，經過AD轉換得到相應的數字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]； 2)第k周期數字離散輸出電壓值VJk]和電感電流值ijk]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係，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數字離散輸出電壓值Vjk+1]和電感電流值iL[k+l]; 3)將預測的數字輸出電壓值V。[k+Ι]與參考電壓值Vref作比較，得到輸出電壓誤差值e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差值Λ e [k+1]，這樣，下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Λ e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+Ι]和Δe[k+1]值，採用模糊控制分別在線調節ΔΚρ、Δ Ki和ΔKd值，與第k-1周期的Kp、Ki和Kd值相加，得到第k周期的PID控制參數值Kp、Ki和Kd，PID控制單元以第k周期對應的Kp、Ki和Kd值為控制參數，根據e [k+1]和Δe [k+1]值，控制輸出佔空比信號d[k]； .5)數字脈寬調製單元根據輸入佔空比值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採樣電路再次採樣轉換，依次經過預測控制單元、模糊PID控制單元、數字脈寬調製單元和驅動單元，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。
全文摘要
一種具有快速瞬態響應能力的數字開關變換器，包括Buck型開關變換器功率級主拓撲結構、A/D採樣轉換單元、預測控制單元、模糊PID控制單元、DPWM單元和驅動單元。A/D採樣轉換單元分別採樣開關變換器的模擬輸出電壓值和模擬電感電流值，將模擬信號轉換成數位訊號；預測控制單元根據A/D採樣數位訊號值結合Buck型開關變換器主拓撲結構預測下一開關周期輸出電壓值；模糊PID控制單元根據輸出電壓誤差值和輸出電壓誤差偏差值確定開關周期的佔空比值，DPWM單元和驅動單元根據佔空比值輸出相應的PWM驅動開管變換器的功率管的開關狀態來調節輸出電壓值。
文檔編號H02M3/158GK103051186SQ201210589750
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月29日 優先權日2012年12月29日
發明者徐申, 孫大鷹, 田野, 宋慧濱, 王青, 孫偉鋒, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學