（电力电子与电力传动专业论文）数字控制开关dcdc变换器瞬态特性的研究.pdf

第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 使置。本文考虑到扰动出现的位置的不确定性，将多采样算法用于数字控制器中。 基于多采样算法得到动态参考电压，对瞬态波形进行校准，用以提高数字控制器 对扰动检测的实时性，使开关变换器豹动态性能得到提高。 非线性控制在开关变换器中已经得到了运用，结果表明非线性控制可以提高 其瞬态性能。在这些传统的应用中，非线性算法受限于其实现的复杂性及复杂电 路的可靠性问题。本文充分利用数字控制的灵活性，引入了非线性的补偿算法， 依据误差分区设置非线性的比例放大系数，减小积分环节的延时影响，以提高变 换器的瞬态性能。 对克服次谐波振荡的问题进行了研究，首先是将传统的斜坡补偿方式进行数 字化，得到了数字斜坡补偿算法；另外基于数字控制的灵活性，提高了占空比分 量重定位法，采用简单的方式消除次谐波振荡。 为了分析数字控制开关变换器的频率特性，采用双线性变换方法，褥到了开 关变换器主电路的数字模型。通过将数字算法进行小信号分析，得到整个系统的 模型。通过模型比较，验证了鼹态分析的相关结果。 本文以b u c k 变换器为例，对各种算法以及模型进行研究。 美键词：开关d c - d c 变换器，数字控制，峰值电压，延时，瞬态响应 西南交通大学博士研究生学位论文第1 li 页 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r o p o s e st h ed i g i t a lp e a kv o l t a g ec o n t r o lo fs w i t c h i n g d c d cc o n v e r t e r s ，a n di ti sd e v e l o p e d t h ec r e a t i v ep o i n tc a nb es u m m a r i z e d a st h ef o l l o w i n g 。t h ef i r s to n ei st h a tt h ed i g i t a lp e a kv o l t a g ea l g o r i t h m isp r o p o s e do nd if f e r e n tm o d u l a ti o nm e t h o d s t h es e c o n do n ei st h a tt h e a l g o r i t h mt oo v e r c o m et i m ed e l a yi si n t r o d u c e da n di m p r o v e dd i g i t a lp e a k v o l t a g ei st h e np r o p o s e d t h et h i r do n ei st h a tt h em u l t i s a m p l et e c h n i q u e i sp r o p o s e dt ob eu s e di ns w i t c h i n gd c m “d cc o n v e r t e rt oi m p r o v et h et r a n s i e n t p e r f o r m a n c e ，t h ef o u r t ho n eist h a tt h en o n li n e a rc o m p e n s a t io no fp o w e r f u n c t i o ni su s e di nt h ep i do ft h ed i g i t a lc o n t r o ll o o p t h ef i f t ho n ei s t h a tt h ea l g o r i t h mt oe l i m i n a t et h es u b h a r m o n i co s c i l l a t i o n ，w i t hd i g i t a l s l o p ec o m p e n s a t i o na n dd i g i t a lr e s p o s t i o no fd u t yr a t i oc o m p e n tp r o p o s e d i nt h ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u eo fs w i t c h i n gd c d cc o n v e r t e r ，t h e d i g i t a la l g o r i t h mi sa ni m p o r t a n tt o p i c a tp r e s e n tt i m e ，i ti su r g e n tt o d i g i t i z et h ec o n t r o lm e t h o d s ，a n di ti sa l s ot h ei n e v i t a b l ea n di m p o r t a n t s t e p t od e v e l o pt h ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u ei ns w i t c h i n g 一d c c o n v e r t e r s t h es t a t u so fd i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u eo fs w i t c h i n gd c ”d cc o n v e r t e r s i sb r i e f l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r d i g i t a li m p l e i f l e n t a t i o n so fp w mw i t h v a r i o u sm o d u l a t i o nm e t h o d sa r ed i s c u s s e da n d c o m p a r e d w i t ha n a l o g i m p l e m e n a t i o n s b a s e do nt h em o d u l a t i o nm e t h o d s ，t h ed i g i t a lp e a kv o l t a g e c o n t r o lt e c h n i q u ew i t hd i f f e r e n tm o d u l a t i o nm e t h o d si ss t u d i e do nb u c k c o n v e r t e rt o p o l o g y i nt h ed ig it a lc o n t r o ll o o po f s w it c h i n gc o n v e r t e r ，t h eti m ef o r d i g i t a lo p e r a t i o n si si n e v i t a b l ea n di t i sa tl e a s to n es w i t c h i n gc y c l e a st h er e s u l t ，o n e s w it c h i n g c y c l ed e l a ye x is t sb e t w e e nt h es a m p li n ga n d t h eo u t p u to ft h er e s u l td u t yr a t i o t h e r ei sn od o u b tt h a tt h ed e l a yw i l l d e g r a d et h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo ft h es w i t c h i n gd e d cc o n v e r t e r t h e p h e n o m e n o nh a sb e e nn o t e db u tn oe f f e c t i v em e t h o disp r o p o s e df o rd c d c e o n v e r t e r st i l ln o w 。t h ea l g o r i t h mt oo v e r c o m et h i st i m ed e l a yi sp r e s e n t e d a n dc o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v i d e e v i d e n c et oc o m p a r et h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c ，a n di ts h o w st h ei m p r o v e m e n t b r o u g h tb yt h ea l g o r i t h mt oo v e r c o m et h i st i m ed e l a y t f o r t h es t u d yo ft r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo fs w i t c h i n gc o n v e r t e r , w e u s 娃a l l ya s s u m et h a tt h ep e r t u r b a t i o n i sa p p l i e da tt h eb e g i n n i n go f s w i t c h i n gc y c l e i nf a c t ，t h ep e r t u r b a t i o ni sl o c a t e dd u r i n gt h ew h o l e s w i t c h i n gc y c l ea tr a n d o m 。t os t u d yt h ee f f e c t s ，m u l t i s a m p l et e c h n i q u e isp r e s e n t e di nt h isp a p e rt os a m p l et h ep e r t u r b a t i o n sa ss o o na s1 th a p p e n s m u l t i s a m p l et e c h n i q u el e a d st ot h ed y n a m i cr e f e r e n c ev o l t a g e ，w h i c h a c t s a st h ec a li b r a t i o no ft h e t r a n s i e n tw a v e f o r m s i nt h i sw a y ，t h e p e r t u r b a t i o n sc a nb es a m p l e d i nt i m et oi m p r o v et h el o a dt r a n s i e n t p e r f o r m a n c e + n o n li n e a rc o n t r o lt e c h n i q u eh a sb e e na d o p t e di ns w it c h i n gc o n v e r t e r t oi m p r o v et h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c e 。i nt h et r a d i t i o n a li m p l e m e n t a t i o n ， n o n l i n e a ri su s u a l l yr e s t r i c t e db yt h ec o m p l e xc i r c u i t si na n a l o gp l a t f o r m t h i sp a p e ru t i l i z e st h ef l e x i b i l i t yo ft h ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u e st o r e a li z en o n li n e a rc o m p e n s a t i o n a c c o r d i n gt ot h ee r r o rp a r t i t i o n s ，t h e n o n li n e a rc o e f f i c i e n t so ft h ep r o p o r t i o n a li t e ma r ep r e s e n t e d ，a n dt h e y w i l ld e c r e a s et h ei m p a c to ft h ed e l a ye f f e c tb r o u g h tb yi n t e g r a li t e mt o i m p r o v et h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo fs w i t c h i n gd c d c c o n v e r t e r s b vt u s t i nm e t h o d ，t h em o d e l o fb u c kc o n v e r t e ri sd i g i t i z e d b y s v n t h e s i z i n gt h es m a l ls i g n a lm o d e lo fc o n t r o la l g o r i t h m s ，t h em o d e lo f t h ew h o l es y s t e miso b t a i n e d t h ec a n o n i c a lm o d e lp r o v i d e st h ew a y t ov e r i f y t h ea n a l y s i si nt h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c e i nt h ep a p e r ，b u c kc o n v e r t e ri st a k e na sa ne x a m p l ef o rt h es t u d y k e y w o r d s ：s w i t c h i n g d c d cc o n v e r t e r ， v o l t a g ec o n t r o l ，t i m ed e l a y ，t r a n s i e n t d i g i t a lc o n t r o l ，d i g i t a lp e a k p e r f o r m a n c e 西南交通大学四陶父嗵大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密龇在叠年解密后适用本授权书； 2 不保密翻，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名心秒指导柳签名： 日期： 少镌呷 1 日期：涉力g 岁 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 第2 章首次采用四种调制方式实现了数字峰值电压控制的占空比表达式，基 于b u c k 变换器对各种算法的瞬态特性进行了研究，并与采用其他控制算法 的情况进行了比较。 2 第3 章首次对数字控制器中存在的延时问题进行了分析，提出了克服延时的 算法，进行了仿真研究以及实验验证 3 第3 章首次对单次采样在数字控制开关d c d c 变换器中应用的局限性进行 了分析，并提出了将多采样校准技术用于开关d c d c 变换器。通过对多采 样算法的研究，进行了仿真研究以及实验验证。 4 第3 章首次将幂函数形式的非线性补偿运用于数字峰值电压控制b u c k 变换 器的应用中，并对瞬态性能进行了仿真研究和实验验证。 5 第4 章首次对克服次谐波振荡的斜坡补偿算法的数字实现进行了研究，同时 基于数字控制灵活性提出了占空比瞬态分量定位法，采用简单的方式消除次 谐波振荡，并进行了验证。 学位做作者虢但匆 日期：渤斧了月叩 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) 是一门利用电力电子器件对电能进行 控制和转换的边缘交叉学科。电力电子技术在科技、能源、环保、资讯、通信、 生命科学、材料和交通等国家关键性的科技领域中起着重要的支撑作用。 运用功率变换器进行电能变换，以满足各种负载需求的开关电源技术是电力 电子技术的一个重要研究和应用领域。随着工业技术的发展，各类负载对开关电 源的功能和性能提出了越来越高的要求，如i n t e lc p u ( c e n t r a lp r o c e s su n i t ) 就对供电电源的各项指标提出了明确的要求n 吲，同时，对开关电源在节能、动态 管理j 保护功能、相互通信、可扩展性等方面的要求也越来越高。因此：研究更 先进的功率管理技术以及灵活方便的控制策略显得越来越迫切。长期以来，开关 电源一直采用模拟控制方式，传统的模拟控制在很多方面制约了高性能开关电源 的发展，已无法满足微处理器等特殊负载对其供电电源越来越多的要求。 随着集成电路技术的发展以及数字应用技术的日臻成熟，采用数字控制技术 实现开关电源的控制和管理得到了越来越多的关注，正逐步得到发展和越来越广 泛的应用阻。虽然开关电源的数字控制具有很多优越性，但由于其运算速度及价 格的限制，一直未得到很大的发展。随着d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 、 m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 以及f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 等 数字器件的高速发展n 田，数字控制器作为开关电源的控制核心已经成为可能。 开关电源的数字控制具有许多显著的优点： ( 1 ) 可实现各种先进的控制方式 开关电源的模拟控制技术已经发展了很多年，获得了广泛的应用，但传统的 模拟控制器只能实现较为简单的功能，存在控制电路复杂、元器件较多、不利于 产品小型化的缺点；模拟控制系统调试不方便，控制不灵活，难于实现复杂的控 制方法，模拟控制开关电源的控制电路一旦成型，很难修改。数字控制可以很容 易的实现复杂控制算法，这不仅使传统电源架构的性能更强大，还可实现过去由 于缺少优秀控制算法而无法实现的功能和性能，从而大幅度提高系统性能。 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 采用数字控制器可以实现各种复杂的控制算法以提高开关电源的性能，如可 采用自适应的反馈和前馈环节优化系统的性能h u ；采用在线参数辨识可以提高系 统的性能并选择更合理的控制参数；通过参数估计可以获得更好的瞬态响应；通 过无损电流检测算法可以实现更高的效率n 纠明；通过灵活的开关频率控制可以提 高e m i ( e l e c t r o - m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 性能等等n 刀，同时数字控制很容易实 现更为先进的功率管理技术。 ( 2 ) 可相互通讯 数字控制的开关电源易于与其负载进行通讯，易于实现与其它数字设备之间 的接口，从而实现更高的供电效率、适应动态负载的能力、故障处理的能力例 如，微处理器供电系统中采用的d v s ( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ) 技术1 8 删就是 通过微处理器预估其工作量，从而提出对供电电压的要求以实现更高自鲥算处理 性能和供电效率( 在大负载情况下，获得大的数据吞吐量；在小负载情况下，获 得更高的效率) ；开关电源的数字控制器可以提供有效的故障检测、故障诊断以及 恢复；在某些隋况下，甚至可以通过检测相关变量预估元器件的失效 ( 3 ) 可编程、更短的开发周期 由于数字控制器通过软件程序实现控制，因此可以减少外部元器件调试的工 作量，从而减少产品开发周期和成本，提高产品的可靠性系统内可编程功能的 加入使得制造商只需要修改软件就能调整系统设计、开发定制化产品和缩短设计 周期。 数字控制器较传统的模拟控制器在设计上具有更高的灵活性。传统的模拟控 制器是通过调节和改变元器件的参数值来实现不同的控制规律，这将不可避免地 造成许多资源上的浪费，而且导致较长的设计周期。在集成电路中实现模拟控制 器时，设计者需要精确地设计一组无源元器件的具体参数值，以实现所需的开关 频率、补偿器的零极点、以及死区延迟等技术指标数字控制器只需通过软件编 程就可以修改控制规律，还可以通过仿真验证，使设计工作变得相当灵活当电 源具体的性能要求改变时，为了修改控制规律，对于模拟控制器来说，需要重新 设计电路、重新设计p c b ；而对于数字控制器，则可通过编程来增加、删除和修 改任何控制参数，从而极大地缩短设计周期。 ( 4 ) 易于克服元器件老化及噪声的影响 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 在模拟控制器中，不可避免的存在元器件的老化以及温度对元器件参数的影 响。在全数字化的开关电源控制器中，其误差主要来源于a d c ( a n a l o gt od i g i t a l c o n v e r t e r ) 的采样，使得误差源减少。同时，因为数字信号在传递过程中不会像 模拟信号一样容易受到干扰影响，从而使数字控制系统具有更高的抗干扰性。数 字控制器使用非常少的模拟元器件，可以增加系统的平均无故障工作时间( m t b f ) ， 还可以通过增加监视、保护和预警等功能提高系统的工作可靠性。 数字控制由于其诸多显著优点受到了越来越多的关注和重视n 蚓，基于数字硬 件平台的各种数字控制算法的研究，是开关电源数字控制技术的重要研究课题。 本文将重点研究基于全数字控制的开关变换器控制方式的实现及改进。下文中如 无特殊申明，数字控制器即是用于开关d c d c 变换器领域的数字控制器，仿真平 台采用m a t l a b s i m u li n k 。 1 2 数字控制开关变换器的发展现状 1 2 1 数字电源的概念 在电力电子领域，数字控制器件已成功应用于u p s ( u n i n t e r r u p ti b l ep o w e r s y s t e m ) ，p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r ) 及a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 等领域 吼侧。在这些应用中，开关频率较低，对数字控制器件的处理速度要求不高。 而在开关d c - d c 变换器应用领域，其开关器件一般工作于几十千赫兹至几兆 赫兹的频率范围，为了满足此类开关变换器的动态性能要求，对数字控制器件的 运算速度必将有很高的要求，因此早期的数字控制器件很难满足运算以及功耗等 方面的要求。 开关d c - d c 变换器的数字控制可以分为以下几个类型硌1 侧。 ( 1 ) 数字控制器件作为辅助功能的开关d c - d c 变换器 此类开关d c d c 变换器中采用了一些数字控制器件以实现某些辅助功能，如： 状态显示、开关机控制、温度监测等。在这类应用中，核心的控制环路仍然是模 拟电路，相当于在模拟的开关变换器中加入了辅助性的数字电路。 ( 2 ) 半数字控制的开关d c d c 变换器 此类应用将数字电路与模拟电路混合作为其控制环路。比如，有些应用中的 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 载波与给定信号的比较采用数字器件实现，而采样至给定信号的产生仍是采用误 差放大器来实现；或者为了实现动态的调节输出电压，将数字形式的给定信号通 过d a c ( d i g i t a l - t o - a n a l o g - c o n v e r t e r ) 转换输出给定信号，然后与载波比较产 生p w m ( p u l s e - w i d t h - m b d u l a t i o n ) 信号。 在这些应用中，将模拟与数字电路混合以实现环路设计，在整个环路中，数 字和模拟电路并存，因此称为半数字控制 ( 3 ) 全数字控制的开关d c - d c 变换器 此类应用是真正意义上的数字控制开关d c - d c 变换器，采用全数字器件以及 少量必需的模拟元件来构成环路。通过采样、计算，得到所需的开关开通关断信 号，与模拟应用相比，整个控制环路都是数字电路。 前两类数字控制的应用是采用数字电路实现部分模拟电路不容易实现的功 能，用以满足应用的要求。随着越来越多的应用要求，全数字控制是开关d c - d c 变换器的发展趋势。随着半导体集成工艺技术的发展，开关电源的数字控制技术 将占有更大的市场份额。 1 2 2 数字控制器的市场前景 市场研究机构i s u p p l i 公司电源i c 分析师c h r i sa m b a r i a n 认为，“3 0 年前 电源行业开始转向m o s f e t 开关模式电源是一次巨大的革新，而现在电源数字化趋 势可能是一个更大的革新浪潮”随着数字化浪潮的普及，一直以模拟信号为主 导的电源管理领域也开始引入数字化概念，许多公司纷纷推出了各自的数字电源 产品，如p r i m a r i o n ( p x 3 5 3 9 ) 、s i l i c o nl a b o r a t o r i e s ( s i 8 2 5 x ) 、t i ( f u s i o n d i g i t a lp o w e r ，u c d 9 k 、u c d 8 k 及u c d 7 k 系列辅助器件) 、p o t e n t i a s e m i c o n d u c t o r ( p s 一2 6 0 6 ) 、z i l k e r ( z l 2 0 0 5 ) 。“数字 电源方兴未艾，现在众多 的企业，如：a d i 、i w a t t 、l i n e a r 、捌l a x i m 、i r 、0 n s e m i 、p h i l i p p e 、及v o l t e r r a 等已经参与进来。据i s u p p l i 的相关报道，数字电源在近几年会得到突飞猛进的 发展，其销售趋势如图1 - 1 所示璐k 嘲 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 图1 1 数字控制开关d c d c 变换器的市场预测 1 2 3 数字控制器的硬件结构研究现状 图1 - 2 和图1 - 3 分别为模拟控制开关变换器与数字控制开关变换器的结构示 意图胁1 。其相同部分为功率单元和滤波单元，不同部分为控制单元。模拟控制开 关d c - d c 变换器采用模拟控制器，包括模拟补偿网络、脉冲宽度调制器( p w m ) 和 载波信号；而数字控制开关变换器采用数字控制器，包括模数转换器( a d c o n v e r t e r ) 、数字补偿器( d i g i t a lc o m p e n s a t o r ) 和数字脉冲宽度调制器( d p w m ) 。 在开关电源数字控制器的三大主要结构单元：模数转换器( a d c ) 、数字补偿 器( d i g i t a lc o m p e n s a t o r ，c o m p ) 和数字脉冲宽度调制器 ( d i g i t a l p u l s e - w i d t h - m o d u l a t o r ，d p w m ) 中，a d c 实现从模拟信号到数字信号 的转换，数字补偿器根据数字误差信号进行相应的补偿得到给定信号，d p w m 实现 从数字信号到时间信号的转换。开关电源功率级电路受占空比信号的控制，实现 从时间信号到电信号的转换，从而形成了数字控制开关电源的闭环系统嘶叫。 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 直 直流电压输入 图1 2 模拟控制开关变换器 ： 数字控制器 。 ： l 一一j 图1 3 数字控制开关变换器 流电压输出 流电压输出 a d c 与d p w m 是数字控制器的对外接口，通过相应的硬件电路结构与软件 配合完成功能，c o m p 对误差信号进行补偿以产生给定信号，属于软件部分。硬 件结构包括a d c 及d p w m 的硬件结构形式，软件算法包括c o m p 环节补偿设 计方法以及d p w m 内部的控制算法，因为a d c 部分的采样控制软件较为简单， 根据模数转换器的时序要求进行编程即可，非本论文研究的重点，在此不做过多 论述。 本节将从硬件结构主面对数字控制器的研究现状进行概述，软件算法部分将 在下一节进行介绍。 1 2 3 1 模数转换器 在常用的a d c 架构中，积分型a d c 的转换速度非常慢，不适合用于数字 开关电源。数字控制开关电源主流的a d c 架构有并行的闪速式( f l a s h ) 架构、逐 次逼近寄存式( s a r ) 架构和具有多个闪速电路的管道式( p i p e l i n e ) 架构每种 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 架构在转换速度和电路复杂度等方面都各有其优缺点。 a 、闪速式 如图1 4 所示闪速式( f l a s h ) a d c 是高频开关电源数字控制器中较为常 用的一种a d c 架构。f l a s ha d c 通过d a c 将数字参考代码转换为所需的模拟 参考电压，并通过电压偏置网络在参考电压的两侧形成均匀的电压分格，从而产 生一组以参考电压为中心的量化电压值；通过比较器网络将电源的输出电压与这 些量化电压值进行比较，从而以温度计码”的形式输出转换结果。 v q 百茹笋 v q 卟竺| l 1 步 图1 4 用于高频开关电源的f l a s ha d c 结构图 之所以称输出结果d e 为“温度计码”，是因为在d e 中低位都是“1 ”，高位都 是“0 ”，而且“1 ”的个数随电源输出电压的增大而增多，这与温度计中因环境温度 变化而变化的水银柱非常相似。很明显，这种“温度计码”必须通过编码电路转换 成数字处理内核能够识别的二进制码，以便用于运算或查表。 这种结构的转换周期仅为一个时钟周期，因此转换速度非常快。但是，对于 精度要求较高的开关电源应用场合，所需的编码电路也将会非常复杂，从而导致 控制器芯片面积的急剧增大和成本的增加。f l a s ha d c 在转换速率上具有优势， 但在功耗、位数以及成本方面的优势不明显。目前，f l a s ha d c 的位数不高， 大多限于8 位或更低的精度，所以这种f l a s h a d c 适用于电源输出电压范围比 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 较小、要求较高的采样频率的场合。 b 、流水线( p i p e - l i n e ) a d c 匿1 5 所示流水线架构a d c 总共有k 个分段，每一分段都由采样傈持电路 和p 位闪速转换器组成，该a d c 的分辨率为m - - p k 位。例如，个1 0 位、2 段 流水线转换器需要6 2 个比较器，并且转换过程需2 个时铸周期；丽l o 位鞠闪速 转换器虽然只需要一个时钟周期，但需要1 0 2 3 个比较器。 图1 - 5 流水线架构 上述对分辨率和转换速率的分析表明，流水线结构体现了电路结构与转换速 度的折中。因此，这种架构的a d c 通常用于对精度要求较高，但是对采样速度 要求不是特别高的高频开关电源数字控制器 c 、延迟线a d c 延迟线( d e l a y - l i n e ) a d c 结构是利用在标准的c m o s 工艺中，信号在逻辑 电路中的传播延迟岛在一定条件下与供电电压成反比的特性： 兹= 爱鱼一 ( 1 - 1 ) 。 ( 一) 2 其中圪为m o s 器件的门限电压，它通常远小于供电电压，从( 1 - 1 ) 可 以看出与近似成反比 如果将一定数量的逻辑门连接起来，便可以组成一个延迟单元。每个延迟单 元具有一个输入端、个输漱端和一个复位端。如图l _ 6 所示为一种可行的延迟 单元结构，可以在其中添加更多的逻辑门来实现对时延的控制，然后将若干这样 的延迟单元睾接起来，组成一条延迟线。如图1 7 所示为延迟线的基本结构，在 每个开关周期的开始，从输入端输入一个测试信号“s t l f t ) ；经过一个固定的时间 西南交通大学博士研究生学位论文第9 页 间隔( r 唧l 。) 之后，产生一个采样脉冲，将各延迟单元的输出通过一串d 触发 器采集到寄存器中。如图1 8 所示采样波形表示信号在采样时刻正好传播到第6 个延迟单元，即d c _ 【001 1 1 1 11 】，其中低位的延迟单元输出均为“1 ”，高位的 延迟单元输出均为o ”；在t s 锄p l c 之后，所有采到的延迟单元输出被清零。 图1 - 6 延迟单元的组成 s 置携e da l m l o 窘i n p u t3 o d 图1 7 延迟线a d c 的基本结构 由于信号在逻辑电路中的传播速度与电源输出电压( 即a d c 的供电电压) 成反比，因此采样结果中1 的个数随电源输出电压的增大而增多。这种基于“温 度计码”的转换方式也需要编码电路进行转换。由于编码电路复杂度的限制，延迟 线a d c 在保持较高精度的基础上，也只能实现较小范围的模数转换。 第10 页西南交通大学博士研究生学位论文 it e , , g ti l l il i ib 际一l ： l 略i l 11 4ii 2 ，l 1 i i ；广彳一 l ，l r 1 l 氏lf ；心脚p 跆卜1 i：i o 图1 8 延迟线a d c 的延迟波形 l d 、压频振荡式a d c 在一些应用中，可以通过压频振荡器( v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r , v c o ) 获 得电源输出电压的数字代码。在一定电压范围内，压频振荡器的振荡频率与输入 电压成比例关系，如图1 - 9 所示。因此可以首先对电源输出电压进行预放大，将 其调节到该范围内，然后再作用于压频振荡器。如果电源输出电压较大，得到的 振荡次数就多；反之就少。通过计数器可得到振荡器在一个固定的时间段内的振 荡次数，然后将其与表征电源参考电压的参考数值相减，便可得到误差电压的数 字代码。 为了获得较为精确的转换结果，这种方法通常需要较长的计数时间来记取较 多的次数，使得数字补偿器进行运算的时间缩短。因此要求其补偿器具有简便有 效的控制算法，否则将会引入较长的时延 重 瓣 燕 输入电压v ) 图1 - 9v c o 的压频转换特性 西南交通大学博士研究生学位论文第1 1 页 1 2 3 2 数字脉宽调制器( d p w ) 数字脉宽调制器( d i g i t a l p u l s e w i d t h m o d u l a t o r , d p w m ) 将数字信号转换为 时间信号( 即产生具有一定脉宽的脉冲信号) 。数字控制器通过d p w m 产生驱动 脉冲控制信号，从而控制开关电源的功率器件调节输出电压，因此电源的输出电 压的精度将直接取决于d p w m 的时间分辨率【5 ”9 j 。 a 、基于计数器的d p w m 最早提出的d p w m 方法是通过一个快速的时钟计数器对锯齿波直接进行数 字化，从而实现以锯齿波为规律的周期变化的数字编码。在每个周期的开始时刻， 功率开关导通；每个时钟周期，计数器加一：当比较器检测到这个计数器输出与 该周期的占空比对应的数值相等时，d p w m 输出翻转，使功率开关关断，从而实 现对时间分格的选取。这样一个基于1 1 位计数器的d p w m 可以将开关周期t s 等 分成2 n 段。然而，这样一个高频率( = 1 几) 、高分辨率( n 位) 的d p w m 对时 钟频率的要求非常高( 2 n ) ，所带来的功耗和对信号处理技术的要求较高。 b 、基于延迟线的d p w m ( 1 ) 异步延迟线d p w m 为了解决基于计数器的d p w m 对时钟频率要求过高这一缺点，提出了如图 1 1 0 所示基于延迟线( d e l a y - l i n e ) 的d p w m 结构。它由一组延迟单元串接起来 组成延迟线，利用外部输入的时钟脉冲信号在延迟线上均匀的传播速度实现对时 间的均匀量化。占空比直接取决于对接受到输入信号的延迟单元个数的选择，这 个选择可以通过由数字占空比信息d 嘲( 第k 个周期的占空比) 控制的多路选择 器的控制来实现从2 n 个时间分格中选出d 陶所需要的时间分格。这样，时钟频率 只需达到开关频率即可，大大缓解了对时钟频率的要求。在设计时，延迟线的最 大延迟应与最大占空比相对应，其每个单元的延迟与占空比的分辨率相对应，它 取决于延迟单元的供电电压和单元内逻辑门的数量。这种开环d p w m 结构被称 为异步延迟线d p w m ，其开关频率与延迟线无直接关系，而是通过外部时钟进行 精准控制的。然而由于延迟单元时延的大小受温度等工作环境因素的影响，使得 这种d p w m 容易受环境因素的影响，无法精准地得到预期的占空比。 第12 页西南交通大学博士研究生学位论文 图1 1 0 异步延迟线d p w m 结构框图 ( 2 ) 同步延迟线d p w m 与异步延迟线d p w m 特性相反的还有开关频率由延迟线本身决定的闭环 d p w m 结构，被称为同步延迟线d p w m ，如图1 1 l 所示。其开关频率由闭环延 迟线中延迟单元的个数决定，因此能够根据d 嘲精准地得到预期的占空比，但是 由于温度变化对延迟单元时延的影响，会使开关频率产生微小的变动。 可见这两种基于延迟线的d p w m 对时钟频率的要求不高，甚至根本没有要 求。然而，它们需要首先对n 位d 嘲进行译码，然后通过多路选择器从2 n 个“温 度计码”中选取某一个所对应的时间分格。当d p w m 的分辨率较高时，多路选择 器和译码器的结构将非常复杂，且占用较大的芯片面积 图1 - 1 1 同步延迟线d p w m 结构框图 对于延时线结构的d p w m ，还有其他形式的应用如二进制加权延迟线、分 段延时线。这些结构目前应用较少，在此处就不在做详细的介绍。 c 、混合式d p w m 西南交通大学博士研究生学位论文第1 3 页 针对时钟频率、功耗、电路复杂度及芯片面积等方面的综合考虑，提出了混 合式d p w m 在混合结构中，时钟计数器按照d 明的高位给出粗略的脉冲宽度， 而延迟线按照d 嘲的低位给出精细的脉宽。然后通过将两个子电路串接将粗略脉 宽和精细脉宽合并，从而得到与整个d 【明所对应的精确的脉冲宽度。这种d p w m 在时钟频率和电路的复杂度等方面都得到了改善。 上面对于数字控制器实现方式及各个功能模块的实现进行了具体的分析比 较。在实际的应用中可根据具体的需要选择合适的实现方式。本论文中的硬件结 构采用流水线式模数转换器以及计数器方式的d p w m 结构。 1 2 4 数字控制器的软件研究现状 数字控制器是要在一定的硬件基础上用软件来实现相关算法。在a d c 模块 中，包含相应的采样控制算法，此类算法比较简单，根据不同模数转换器的要求 进行简单的编程即可实现，并非数字控制器的算法核心，在此不予详述。c o m p 模块对误差信号进行补偿，产生给定信号。在d p w m 中，根据给定的控制方式 算法及c o m p 输出的给定信号产生占空比，因此在d p w m 中也有相应的控制方 式的数字算法。下面将对c o m p 的补偿算法及d p w m 中的控制算法进行简要的 概述。 1 2 4 1 c 0 咿的补偿算法 在开关变换器的补偿中，最常用的是p i 或者p i d 方式，它是一个关于输出 与参考电压之间误差的时间函数。式( 1 2 ) 及( 1 3 ) 分别为p i 及p i e ) 补偿器的 模拟实现方式的表达式。 “( f ) = k p p ( f ) + 寺p ( r ) 】( 1 - 2 ) 砸) 2 巧以d + 砉卜( f ) + 等】 ( 1 - 3 ) 其中，k v 是比例放大系数；乃是积分时间；毛是微分时间；甜( ，) 为输出的 给定信号；p ( f ) 为输入的误差信号。 第14 页西南交通大学博士研究生学位论文 比例控制能迅速反馈误差，减小稳态误差，但比例控制不能消除稳态误差， 比例系数太大可能引起系统的不稳定。积分控制的作用是当系统误差存在时，积 分控制器就不断的积累，输出相应的控制量达到消除误差的目的。加强积分环节 的作用会使系统的超调加大，甚至出现振荡。微分控制可以减小超调量，克服振 荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善 系统的性能。 p i d 补偿方式是开关变换器中最常用的方法，在数字控制的开关变换器中则 采用数字方式实现上述p i d 算法。下面将以p i d 算法为例说明其从模拟到数字的 转换过程。 对( 1 3 ) 所描述的积分环节，采用矩形积分时，有： 丢弘c f ，盔= 秀骞p c 力 其中，乏为采样周期，且| l = 圮 对于微分环节，有： ( 1 - 4 ) 誓=