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高频小功率集成DC/DC变换器的高性能数字控制器的研究

郭水保  
【摘要】: 目前市场上大多数手机、视频/音乐播放器等便携式数字产品中的开关电源(Switching Mode Power Supply:SMPS)都是以模拟PWM调制方式设计的。作为电力电子控制领域备受关注的研究热点之一,数字控制技术(Digital Control Technique)在高频小功率集成开关电源(Integrated Monolithic SMPS)仍少有实际应用,这主要受数字控制系统的设计复杂性以及高成本的制约。设计难度、系统性能和功耗等因素,使得数字控制技术未能在高于1MHz的高频小功率SMPS领域得以实际应用。 尽管如此,在小功率SMPS的发展应用中,数字控制技术具有模拟控制无可比拟的优势。本文的研究目的是利用数字控制的优点,研究SMPS数字控制器的实际应用的设计方法,解决数字控制技术在高频小功率应用中的难点问题,给出数字控制器设计的软件及硬件实现,并为数字控制器的主要模块提出新的实现方案。本文主要研究了以下两个方面的内容:高频高分辨率的数字PWM(DPWM)的方案设计和基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的SMPS高性能数字控制算法的实现。 针对传统数字控制系统中高频PWM与系统高频时钟功耗之间的矛盾问题,论文第三章提出了两种高性能DPWM实现方案:混合抖动(Hybrid Dither) DPWM和混合Δ-Σ(Hybrid Delta-Sigma) DPWM。高频高分辨率的DPWM架构不仅能够提高SMPS变换器的输出电压精度,而且还可以抑制输出电压极限环(Limit Cycle)现象。所提出的高性能DPWM模块具有高频、高分辨率、低功耗及IC面积小的特点,很好地解决了高分辨率与低功耗之间的矛盾,在提高DPWM分辨率的同时,降低硬件高频时钟需求,减少系统功耗。 为提高系统的动态响应性能并同时减少数字控制器的计算功耗,第四章提出了一种“三模式”(Tri-mode)控制器,该控制器内部包含了PID和RST算法。针对SMPS系统处于不同状态,该“三模式”控制器可分别处理SMPS的负载突变瞬态,稳态输出和待机三种模式。在瞬态模式下,该控制器在负载突变过程中将采用具有鲁棒性的RST算法来获取快速动态响应;在稳态模式下,该控制器将采用结构简单的PID控制算法,用于减少控制器的功耗;当系统处于待机模式,该控制器将以低于开关频率的工作频率更新PID控制算法,以便进一步减少数字控制器的功耗。 考虑到SMPS是一种典型的变结构系统(Variable Structure Systems:VSS)第五章采用了变结构滑模控制算法(Sliding Mode Control:SMC),实现对高频小功率SMPS的控制。针对传统滞环滑模控制(Hysteresis Modulator:HM) SMC开关频率变化不定的固有缺陷,提出了一种基于DPWM模式(DPWM-based)的定频SMC控制策略,解决了传统SMC实际应用中开关频率变化不定这一问题。DPWM-based SMC不仅为SMPS系统提供了高性:能动态响应,而且还具有结构简单、面积小、容易集成等优点。 最后,以一个750毫瓦Buck电路为例,采用FPGA实现所提出的新型数字控制方案。实验结果表明,高性能数字控制器不仅可以在小功率应用领域实现,而且数字控制技术能够取得良好的控制性能。目前该数字控制器的0.35微米专用集成电路(ASIC)正在测试中。


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