[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

说明书

技术领域

本发明涉及数字开关变换器，尤其是一种快速瞬态响应的数字开关变换器及其控制方法，能够克服数字变换器的时延效应，动态调节控制性能，有效提高变换器的瞬态响应性能。

背景技术

开关变换器作为电子产品的供电系统，其性能关系到电子产品工作的处理精度、可靠性和稳定性。传统模拟变换器存在固有的缺点，如工艺偏差、灵活性差、非线性不易补偿、不方便集成等，使得其难以满足便携式产电子产品日益增长的要求，近年来备受关注的数字变换器减少了模拟变换器中常见问题,集成度高，功能扩展性强，完备的监控功能，便于与数字系统接口，支持更多的协议，易于实现多种非线性控制算法。数字开关变换器存在数据的采样、量化、数据处理、算法补偿、DPWM生成等步骤，环路时延是数字控制系统中的固有缺陷，影响数字开关变换器瞬态响应性能。

开关变换器最常用的控制方法是PID控制，优点是设计简单，但难以保证变换器在输入和负载大范围变化时的稳定性，这是由于变换器是非线性系统，难以抽象出PID控制所需的精确数学模型，从而控制器的控制效果和调节品质受限，难以获得快速瞬态响应性能。

发明内容

为了降低数字变换器的时延效应和非线性效应对变换器瞬态响应性能的影响，本发明提供了一种快速瞬态响应的数字开关变换器，设置预测控制单元可以解决数字控制环路中存在的时延问题，而模糊PID控制单元则借助模糊算法来降低变换器非线性特性对性能的影响，以期望有效提高变换器的瞬态响应性能。

本发明采取的技术方案如下：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D_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。