[发明专利]DVS系统开关DC‑DC变换器的混合控制电路及其控制方法

权利要求书

1.一种DVS系统开关DC-DC变换器的混合控制电路，其特征在于，包括DC-DC变换器主电路及其驱动模块、量化范围可调的FLASH-WINDOW-ADC、电容电流检测模块、数字PID补偿模块、数字滑模控制模块、跳变检测模块、模式切换状态机和数字脉冲宽度调制器；

DC-DC变换器的输出端连接FLASH-WINDOW-ADC的输入端、DVS控制模块和电容电流检测模块的输入端；DVS控制模块的输出端接FLASH-WINDOW-ADC的输入端；FLASH-WINDOW-ADC的输出端连接数字PID补偿模块的输入端、数字滑模控制模块的输入端和跳变检测模块的输入端；跳变检测模块的输出端连接模式切换状态机的输入端，模式切换状态机的输出端连接数字PID补偿模块的输入端和数字滑模控制模块的输入端；数字PID补偿模块的输出端和数字滑模控制模块的输出端连接数字脉冲宽度调制器的输入端，数字脉冲宽度调制器的输出端通过两路驱动模块连接DC-DC变换器；

DC-DC变换器的输出电压V_out经过FLASH-WINDOW-ADC量化为数字码，后经过数字PID补偿模块、数字脉冲宽度调制器、驱动模块构成了线性数字PID控制环路；当DVS控制模块反馈的数字码保持恒定时，该线性数字PID控制环路工作以实现小纹波的输出电压；

DC-DC变换器输出滤波电容电流经过电容电流检测模块量化为数字码I_c[n]，与FLASH-WINDOW-ADC量化的输出误差信号e[n]，共同实现了数字滑模控制环路；当DVS控制模块反馈的数字码发生跳变时，该数字滑模控制环路工作以提高输出电压跟随速度，当变换器恢复到稳态时，控制模式重新切换到PID控制。

2.根据权利要求1所述的DVS系统开关DC-DC变换器的混合控制电路，其特征在于，所述FLASH-WINDOW-ADC模块具量化窗口可调功能来量化输出电压误差e[n]，该FLASH-WINDOW-ADC总量化范围为1.1V～2.7V，分为8个量化区间，每个量化区间的量化为200mV；所述FLASH-WINDOW-ADC由一个3位DAC、带隙基准电路、电压-电流转化电路、串联电阻网络、动态比较器、动态锁存器和编码器组成；3位DAC的输出端接带隙基准电路和串联电阻网络，作为FLASH-WINDOW-ADC的量化范围中心；带隙基准电路输出端接电压-电流转化电路；电压-电流转化电路的输出端接串联电阻网络，提供串联基准电流；串联电阻网络输出端和ADC输入分别接动态比较器的两个输入端，动态比较器的输出端接动态锁存器输入端，得到温度计码；动态锁存器输出端接编码器的输入端，将温度计码转化为5位数字码。

3.根据权利要求2所述的DVS系统开关DC-DC变换器的混合控制电路，其特征在于，FLASH-WINDOW-ADC的5位输出数字码输入到数字PID补偿模块，通过数字PID补偿模块得到9位的数字码，用于调制数字脉冲宽度调制器产生占空比可调的方波信号；数字PID补偿模块由2阶IIR数字滤波器实现，通过对功率级电路中存在的极点进行补偿，保证环路的稳定性。

4.根据权利要求1所述的DVS系统开关DC-DC变换器的混合控制电路，其特征在于，数字滑模控制环路由电容电流采样模块和滑模控制模块构成，该数字滑模控制环路由电容电流和输出电压误差构成滑膜面，并迫使DC-DC变换器沿滑膜面以指数形式趋向稳定点。

5.根据权利要求1所述的DVS系统开关DC-DC变换器的混合控制电路，其特征在于，所述DVS系统开关DC-DC变换器的混合控制电路采用基于RLC匹配网络的电容电流检测模块，将输出电容电流转化为电压值。

6.根据权利要求1所述的DVS系统开关DC-DC变换器的混合控制电路，其特征在于，所述电容电流检测模块采用阻抗匹配、相位匹配，将输出滤波电容的电流值经过一个检测电路转化为电压信号，并通过FLASH-WINDOW-ADC将电容电流量化为数字码。

7.权利要求1至6中任一项所述的DVS系统开关DC-DC变换器的混合控制电路的控制方法，其特征在于，包括：

DC-DC变换器启动时，若RESET＝1，则控制电路被复位到0，DC-DC变换器输出电压V_out保持0V；若RESET＝0，控制电路工作，DC-DC变换器启动；此时若|V_out-V_ref|＞V_th，V_th取3～5倍输出电压纹波，软启动电路启动，控制电路输出恒定占空比信号，使DC-DC变换器输出电压以恒定斜率充电到参考电压V_ref；DC-DC变换器输出电压稳定到参考电压时，线性数字PID控制环路工作，通过比例、积分、微分计算输出控制信号；此时跳变检测模块检测FLASH-WINDOW-ADC量化的误差信号e[n]和电容电流检测模块量化的电容电流I_c[n]，当e[n]或I_c[n]超出误差阈值窗口时，DC-DC变换器发生参考电压/负载跳变，模式切换状态机选择数字滑模控制环路，控制电路输出由滑模面决定，DC-DC变换器快速趋向新稳定状态；当模式切换状态机检测误差信号到e[n]＝0时，DC-DC变换器达到新稳定状态，重新切换到数字PID控制环路，直到下一个DVS反馈信号到来；e[n]的阈值为50mV，I_c[n]的阈值为100mA。