[发明专利]一种快速瞬态响应的数字开关变换器及其控制方法

权利要求书

1.一种快速瞬态响应的数字开关变换器，其特征在于：设有Buck型开关变换器功率级主拓扑结构、分压单元、第一、第二两个A/D采样转换单元、预测控制单元、模糊PID控制单元、数字脉宽调制单元和驱动单元，其中两个A/D采样转换单元与预测控制单元连接，预测控制单元与模糊PID控制单元连接，模糊PID控制单元与数字脉宽调制单元连接，数字脉宽调制单元与驱动单元连接；

Buck型开关变换器功率级主拓扑结构包括NMOS管Q₁、PMOS管Q₂、电感L、电容C和输出负载电阻R，NMOS管Q₁的漏极与输入电压V_in的正端连接，NMOS管Q₁的源极和衬底与PMOS管Q₂的漏极以及电感L的一端连接在一起，电感L的另一端与电容C的一端、第二A/D采样转换单元的输入端以及输出负载电阻R的一端连接在一起，输出负载电阻R的另一端、电容C的另一端以及PMOS管Q₂的源极与输入电压V_in的负端连接在一起并接地；

分压单元包括两个电阻R₁及R₂，R₁的一端连接第二A/D采样转换单元的输入端，R₁的另一端串联电阻R₂，电阻R₂的另一端连接输入电压V_in的负端，电阻R₁与R₂的串联端与第一A/D采样转换单元的输入端连接；

第一、第二A/D采样转换单元的输出端分别连接预测控制单元的两个输入端，预测控制单元的输出信号和参考电压V_ref分别连接比较器的两个输入端，比较器输出e[k+1]及Δe[k+1]两个输出信号；

模糊PID控制单元包括模糊控制单元和PID控制单元，模糊控制单元的输入端连接比较器输出的e[k+1]及Δe[k+1]两个信号，模糊控制单元输出K_p、K_i和K_d三个信号，分别连接至PID控制单元的输入端，PID控制单元输出离散占空比信号d[k]连接至数字脉宽调制单元的输入端，数字脉宽调制单元输出连续的占空比信号d[t]连接至驱动单元的输入端，驱动单元的输出端分别连接主拓扑结构中NMOS管Q₁及PMOS管Q₂的栅极。

2.根据权利要求1所述数字开关变换器的控制方法，其特征在于：第一、第二A/D采样转换单元分别对开关变换器的模拟输出电压V_o[t]和模拟电感电流值i_L[t]进行采样，经过AD转换变为数字信号V_o[k]和i_L[k]，预测控制单元根据采样的数字输出电压值V_o[k]和电感电流值i_L[t]，结合Buck型开关变换器主拓扑结构内在的输出电压与电感电流关系，预测出下一开关周期输出电压值V_o[k+1]和电感电流值i_L[k+1]，将输出电压值V_o[k+1]与参考电压V_ref比较得到输出电压误差值e[k+1]和输出电压误差偏差值Δe[k+1]，模糊PID控制单元执行模糊推理运算，根据e[k+1]和Δe[k+1]在线调整PID的控制参数K_p、K_i和K_d，PID控制单元执行PID控制算法运算，输出相应的占空比值；占空比值经过数字脉宽调制单元和驱动单元输出PWM控制信号，驱动开关变换器的功率管的开关状态来调节其输出电压值；具体方法是：

1）在第k个开关周期的初始，分别采样开关变换器的模拟输出电压V_o[t]和模拟电感电流值i_L[t]，经过AD转换得到相应的数字离散输出电压值V_o[k]和电感电流值i_L[k]；

2）第k周期数字离散输出电压值V_o[k]和电感电流值i_L[k]作为预测控制单元的两输入信号，根据Buck型开关变换器主拓扑结构所内在的输出电压与电感电流关系，插入n个插值点作迭代运算，预测求得第k+1周期的数字离散输出电压值V_o[k+1]和电感电流值i_L[k+1]；

3）将预测的数字输出电压值V_o[k+1]与参考电压值V_ref作比较，得到输出电压误差值e[k+1]和输出电压误差偏差值Δe[k+1]，这样，下一开关周期的误差值e和误差偏差值Δe提前被应用输入到模糊PID控制单元，以降低数字系统环路时延的影响；

4）模糊PID控制单元根据e[k+1]和Δe[k+1]值，采用模糊控制分别在线调节ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d值，与第k-1周期的K_p、K_i和K_d值相加，得到第k周期的PID控制参数值K_p、K_i和K_d，PID控制单元以第k周期对应的K_p、K_i和K_d值为控制参数，根据e[k+1]和Δe[k+1]值，控制输出占空比信号d[k]；

5）数字脉宽调制单元根据输入占空比值d[k]输出相应的PWM信号d[t]，经驱动电路驱动开关变换器的功率管NMOS管Q₁及PMOS管Q₂的开关状态，从而调节开关变换器的输出电压；

6）将5）的输出电压和对应电感电流值经采样电路再次采样转换，依次经过预测控制单元、模糊PID控制单元、数字脉宽调制单元和驱动单元，形成新的PWM信号控制功率管开关，循环控制直至开关变换器输出电压值与参考电压值一致。