（微电子学与固体电子学专业论文）动态可重构pid控制器的设计.pdf

摘要 摘要 本文根据d c d c 转换器的基本原理，采用t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 和f 2 8 0 4 4 芯片构 建了数字d c d c 转换器，通过分析数字d c d c 转换器的结构和原理，研究了其 内部的比例积分微分( p i d ) 控制器。重点研究了数字p i d 控制器的内部结构以 及p i d 控制器内部的三个参数：比例系数、积分系数和微分系数。通过采集不同 的系数参数值下的输出电压的数据，采用g n u p l o t 软件比较分析得出，比例系数 越大，输出电压上的噪声就越大；积分系数越大，响应速度就越快；微分系数越 大，输出电压将减小的结论。根据p i d 控制器中比例系数、积分系数和微分系数 对输出电压的不同影响，以及瞬态响应过程中输出电压的特点，将瞬态响应过程 分成低电流、快速响应、低噪声和高电流四个模式。根据四种模式下对三个系数 的不同要求，设定了不同模式下的比例系数、积分系数和微分系数的值。在c c s 中通过c 语言修改和编写d s p 内部语言，并烧入d s p ，得到数字d c d c 转换器 在1 5 v 直流输出电压下的响应速度为3 2 7 7 u s ，噪声为8 6 m v ，并实验验证了在 数字d c d c 转换器中，数字p i d 控制器是动态的、可重构的。 不同的p i d 参数设定体现了不同的控制特性，得到不同的输出电压特性。经 过比较不同模式得到的输出电压波形，验证了本文设计的四种模式的p d 控制器 得到的输出电压结果结合了快速响应模式和低噪声模式的优点，体现了其优越性。 关键词：比例一积分一微分控制器数字d c d c 转换器晌应时间噪声 a b s t r a c t a b s t r a c t t m s 3 2 0 c 2 0 0 0a n df 2 8 0 4 4 ，w h i c hi sf r o mt ic o m p a n y , a l eu s e dt oa c h i e v ea d i g i t a ld c d cc o n v e r t e r t h ep u r p o s eo fe x p e r i m e n t i st od e s i g nad y n a m i c c o n f i g u r a t i o np i d c o n t r o l l e rt oa c h i e v ea1 5 vd co u t p u tv o l t a g ei nt h ed i 舀u ad c d c c o n v e r t e r u s i n gc c s t ou n d e r s t a n dc o n t r o la l g o r i t h m sd e v e l o p e di ncl a n g u a g e ，a n d t h e na n a l y z e si n t e r i o rs 1 肌c t i l r eo fd i g i t a lp i dc o n t r o l l e r t h ep a r a m e t e r sc o n t a i n p r o p o r t i o n a lg a i n , i n t e g r a lg a i na n dd i f f e r e n t i a lg a i n c o l l e c t i n gd a t ao fo u t p u tv o l t a g e w h e ni nd i f f e r e n tp a r a m e t e r sv a l u e sb yt h eo s c i l l o s c o p e ，a n a l y z ea n dg e tt h r e e c o n c l u s i o n st h a tl a r g e rp r o p o r t i o n a lg a i nc a u s e ss t r o n g e rn o i s e ，l a r g e ri n t e g r a lg a i n m a k er e c o v e r yt i m es h o r t e r , a n do u t p u tv o l t a g ew i l ld r o pw h e nd i f f e r e n t i a lg a i n b e c o m e sl a r g e r a c c o r d i n gd i f f e r e n tv a l u e sh a v ed i f f e r e n ti m p a c t so nc h a r a c t e r i s t i c s p i dc o n t r o l l e r , d i v i d er e c o v e r yt i m ep e r i o dt of o u rm o d e s ：l o wc i r c u i tc u r r e n tm o d e ( l c c m ) ，r a p i dr e s p o n s em o d e ( r r m ) ，a n dl o wn o i s em o d e ( l n m ) a n dh i 曲c i r c u i t c u r r e n tm o d ec h c c m ) e a c hm o d er e q u i r e dd i f f e r e n tv a l u es e t so fp i dp a r a m e t e r s h e n c e ，s e t t i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r s v a l u e ，t h e nm o d i f y i n ga l g o r i t h ma n di m p l e m e n t i n g i nt h ed s ea sar e s u l t , g e ta1 5 vd co u t p u tv o l t a g e m o r e o v e rp i dc o n t r o l l e ri nt h e d i g i t a ld c d cc o n v e r t e ri sd y n a m i ca n dc o n f i g u r a t i o n c o n s e q u e n t l y , d i f f e r e n t v a l u es e t so fp i dp a r a m e t e r sp l a ya sd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fp i dc o n t r o l l e r u s i n gt h ep i dc o n t r o l l e rd e s i g n e di nt h i sp a p e r , w e g e ta no u t p u tv o l t a g eo fw h i c hr e c o v e r yt i m ei s3 2 7 7 u ss h o r t e ra n d n o i s ei s8 6 m v k e y w o r d ：p i dc o n t r o l l e rd i o t a ld c d cc o n v e r t e rr e c o v e r yt i m e n o i s e 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：互翌墨 导师签名：专出赴之一 日期丝12 ：墨：12 e t 期丝( 垒：茎：! ! 第一章绪论 第一章绪论 这一章是论文的绪论部分。主要介绍了开关电源的背景知识、当前国内外的 研究现状和本篇论文的主要工作和论文结构。 1 1 论文背景 电源对于设计和实现电路和系统而言都是很重要的。从某种程度上，可以看 作是系统的心脏。所有的电路系统，不仅是数字电路还是模拟电路，都需要电源。 绝大部分是需要直流电源的。电源被广泛的应用于电脑，通信设施和医疗设备等 等。最流行的两种电压转换器是线性电压转换器和开关式电压转换器。 表1 1 开关式电压转换器与线性电压转换器性能比较圳 项目 线性电压转换器开关式电压转换器 功率低( 3 0 0 o - 5 0 )高( 7 0 8 5 ) 纹波小( 0 1 0 m v )大( 1 0 2 0 0 m y ) 输入电压范围宽时效率低直 输入电压范围宽也能与直 对应的输入电压流输入电压相对应， 流输入电压不能调节 1 0 0 v ，2 0 0 v 可共用 成本低 一般 元器件少，可靠性高，温升较温升较低，有可能与线性电 可靠性 低压转换器一样 高精度电源，高速可编程电机内所用电源，直流输入设 用途 源，1 0 w 一下电源，实验用可备的电源，要求小型高效率 调电源的电源 线性电压转换器曾经是电压转换的主要方式。它通过线性控制能量器件和改 变负载将高的电压降低到低的电压。但是线性电源在工作时会以发热的形式损耗 大量的能量，线性电源在效率要求不高的应用场合中广泛使用，包括强制风冷设 备，也包括那些对电气噪声很敏感而需要“静音电源的仪器设备，如音频和视 频放大器r f 接收器等。线性电压转换器也广泛应用作为板载电源，在输出功率 小于1 0 w 的应用场合，线性电源有它的用武之地，1 0 w 以上的散热器会变得既 大又贵，则开关电源更有吸引力【2 j 。 利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变为另一形态的，且转变 时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的称为开关电源。以功率晶体管为例， 2 动态可重构p i d 控制器的设计 当开关管饱和导通时，集电极和发射极两端的压降接近零；当开关管截止时，其 集电极电流为零。所以其功耗小，效率可高达7 0 9 5 。而功耗小，散热器也随 之减小。开关电源直接对电网电压进行整流、滤波、调整，然后由开关调整管进 行稳压，不需要电源变压器。此外，开关工作频率为几千赫兹，滤波电容器、电 感器数值较小。因此开关电源具有重量轻、体积小等优点。另外，由于功耗小， 机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。而且其对电网的适应能力也有较大 的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为2 2 0 v + 1 0 ，而开关电源在电网 电压在1 1 0 2 6 0 v 范围内变化时，都可获得稳定的输出电压。 进入2 l 世纪以来，开关电源正朝着智能化、数字化的方向发展。以往的模拟 电源虽然内部结构简单，但是其外围电路较为复杂，而且改变性能指标时需要更 换硬件。此时，新问世的数字电源以其外围电路简单和改变性能指标时不需要更 换硬件正引起人们的广泛关注。 但是由于数字电源是利用d s p 实现电压转换，其内部数据的采集、量化和处 理往往需要一段时间，因此响应速度是制约其发展的一个因素之一。随着电子技 术的飞速发展，电子仪器对于电源电压的稳定性和精确性的要求越来越高。针对 如何得到稳定的纹波电压小的电源电压已经成为研究的热点问题。 1 2 国内外研究现状 上世纪6 0 年代，开关电源问世，并逐步取代了线性稳压电源和可控硅( s c r ) 相控电源。4 0 多年来，开关电源技术有了飞速发展和变化，经历了功率半导体器 件应用、高频化和软开关技术、开关电源系统综合集成的三大技术发展阶段。从 上世纪8 0 年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器效率更高、 性能更好、重量更轻、体积更小。高频化和软开关技术是近2 0 年国际电力电子界 研究的热点之一。上世纪9 0 年代，集成电力电子系统和集成电力电子模块技术开 始发展，成为近十几年来国际电力电子界努力解决的问题。提升功率半导体器件 高效率性能，提升开关电源的功率密度，计算机辅助设计和测试技术应用，高频 磁集成与同步整流技术的应用，模块化分布式电源结构设计，电源系统高密度集 成，低污染电磁兼容性设计等是现代电源技术关注的热点。而电源数字控制同样 成为一个新的发展趋势，已经逐渐的功率变换设备中得到推广应用。 最近几年，以数字信号处理器为控制核心的数字电源技术已经成为受很多高 校、电力电子技术专业机构和电源系统提供重视的研究课题，国i 为j b 每年都有很 多相关的技术性论文发表。利用1 r i 公司的m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现的p w m 型开关电 源，克服了以往的开关电源的收敛速度慢，输出电压精度不高，对干扰敏感等缺 点，实现了对多变量、强耦合、大时滞复杂的非线性系统的优化控制【3 j 。数字控 第一章绪论 制由于控制灵活等优点而逐渐广泛应用，电力电子应用也逐渐朝高频化方向发展。 利用m c 5 6 f 8 3 2 3 完成了基于d s c 的带同步整流的高频软开关移相全桥变换器， 不仅将高性能的d s c 与电力电子高频变换应用紧密结合，也为电力电子设计提供 了一种新思路1 4 j 。基于d s p 实现的三相频率可调逆变器电源中实现了输出频率可 调并利用软开关技术降低了开关损耗，改善了输出波形质量，这种技术适用于对 电网输入电压要求较高的负载电源中【”】。 由于d s p 内部c p u 的强大的数据处理速度，可以同时处理多通道的数据， 因此可以实现多相的输出电压 s q o ，并简化滤波电路设计。数字控制的灵活性能 把电源组合成串联或是并联模型，形成虚拟电源。数字d c d c 转换器的优势还 包括在线可编程能力、更先进的控制算法。国外的研究则大部分集中于采用线性 控制方法【1 1 1 或是非线性控制方法【1 2 - 1 4 1 ，以及多环路控制【1 5 】等高级控制算法来控制 电路，来提高电源的瞬态响应能力。在线性控制方法中最早发展起来的就是p i d 控制算法【1 6 1 。由于其算法简单和可靠性高和可靠性高，被广泛用于过程控制和运 动控制【1 7 】中。 同时，与模拟d c d c 转换器对信号状态的瞬时反应不同，数字d c d c 转换 器需要一个采样、量化【i s j 和处理的过程来对负载的变化进行反馈，因此，提高数 字d c d c 转换器的响应速度也是目前研究的热点。但是数字d c d c 转换器的设 计要求设计人员具有一定的程序设计能力，而目前的电源设计人员普遍都是模拟 设计为主，缺乏编程方面的训练，这也对数字电源造成了一定的障碍。数字d c d c 转换器的成本过高也是制约其发展的主要因素。 1 3 论文主要工作和论文结构 数字电源问世以来，就受到多方面关注。尽管其成本比较高。但是由于能实 现多种控制方法控制，这一点是传统电源所望尘莫及的。p i d 控制方法是在工业 控制中被广泛应用的控制算法。因此，论文的目的是在数字d c d c 转换器中设 计一个动态的可重构的p i d 控制器来获得高响应速度和低噪声的输出电压。论文 以输出电压为1 5 v 的数字d c d c 转换器为研究对象，给出了设计流程和实现程 序，借助c c s 软件对控制器进行了设计，利用g n u p l o t 画图软件对输出电压中的 响应速度和噪声进行分析。 本论文的结构安排如下： 第一章是绪论。主要介绍开关电源的背景知识、d c d c 转换器在国内外研究 现状和论文的结构。 第二章重点介绍了两种d c d c 转换器：模拟d c d c 转换器和数字d c d c 转换器以及它们的实现方式。其中对于模拟d c d c 转换器，主要介绍降压d c d c 4 动态可重构p i d 控制器的设计 转换器的基本工作模式和两种调制方式( 脉冲宽度调制方式和脉冲频率调制方 式) 。数字d c d c 转换器是基于模拟d c d c 转换器的基础上发展的，主要介绍 它的实现方式。 第三章是比例积分微分( p i d ) 控制器的基础知识。内容包括了p i d 控制算 法的基本框架和分类；其参数检定方法等。重点介绍了数字p i d 控制器的三个模 块的功能和参数，以及在数字d c d c 转换器中利用f 2 8 0 4 4 是如何实现的。 第四章是本篇论文的重点，介绍了论文所实现的数字d c d c 转换器所采用 的d s p 的硬件结构和各个模块功能。在此基础上分析其内部的开发流程。实验的 设计思路和实验结果。为了实现响应时间短、噪声小的输出电压，本文分析数字 p i d 控制器的三个参数对输出特性的影响，并通过c 语言设计了一个数字p i d 控 制器，使它在瞬态响应过程中采用四种模式，并分析实验结果。 。 第五章是工作总结。这章包括总结实验的主要研究工作和实验所得到果及结 果，还有该实验的不足之处以及以后改进方法。 第二章d c d c 转换器的基础知识 第二章d c d c 转换器的基础知识 d c d c 转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。由于输入 输出电压的之间关系，目前d c d c 转换器广泛应用于手机、m p 3 、数码相机、 便携式媒体播放器，车载电源等产品中。 本章主要研究模拟d c d c 转换器、调制方式和数字d c d c 转换器。重点分 析研究b u c k 转换器的结构和两种工作模式，了解两种常用的调制方式。对于数字 d c d c 转换器，集中研究数字d c d c 转换器的构成方式。 d c d c 电压转换器根据实现方式可以分为模拟d c d c 转换器和数字d c d c 转换器。其中模拟d c d c 转换器中，由于输出电压和输入电压之间的大小关系 可以分为三类：降压( b u c k ) 转换器，升压( b o o s t ) 转换器和升降压( b u c k b o o s t ) 转换器。b u c k 转换器的输出电压低于输入电压，b o o s t 转换器则是相反，b u c k - b o o s t 转换器可以使输出电压大于或小于输入电压。 在介绍三种基本的d c d c 转换器之前，介绍一个重要的概念占空比。 占空比是指电路中开关的导通时间与周期时间的比值，一般用n 来表示。 2 1 1b u c k 转换器 l v o u t 图2 1b u c k 转换器1 1 9 1 b u c k 转换器，如图2 1 所示，由三部分器件组成：电子开关，电感l 和滤波 电容c ，电阻r 。电子开关只是快速地开通、快速地关断这两种状态，并且快速 地进行转换。只有力求快速，使开关快速地渡过线性放大工作区，状态转换引起 的损耗才小。目前使用的电子开关多事双极型晶体管、功率场效应管；逐渐普及 6 动态可重构p i d 控制器的设计 的有i g b t 管，还有各式各样的大功率开关元件，例如静电感应晶闸管和场控制 晶体闸流管。电感是开关电源中常用元件，由于它的电流、电压相位不同，因此 理论损耗为零。电感和电容是能量储存元件，共用在输入滤波器和输出滤波器上。 由于“磁通连续 性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压剑 峰波。电容和电感的频率特性恰好相反。应用上，主要是“吸收 纹波，具有平 滑电压波形的作用。 通常使用m o s 管作为电路中的开关s l ，而二极管被作为开关s 2 。开关的周 期为t ，导通时间为t 0 - l ，当开关s 1 导通s 2 闭合时，电流流过电感线圈l 和电容 c ，在电感线圈未饱和前，电流线性增加。因此，当电流增加时能量被储存在电 感和电容中。当s l 断开s 2 闭合时，根据法拉第原理，电路中的电流将减小却不 会为零。储存在电感和电容中的能量使输出电压保持不变。 根据电感两端的电流的变化，b u c k 电压转换器的工作模式可以分成两种t 连 续工作模式( c c m ) 和不连续工作模式( d c m ) 2 0 l 。 ( 1 ) 连续工作模式 v i n 弋 ( a ) l r ( b ) 图2 2 连续工作模式 v o u t r 第二章d c d c 转换器的基础知识 7 假设b u c k 转换器的初始状态处于连续模式，电感电流的值很小。当开关打开 后，如图2 2 ( a ) 所示，电感两端的电流满足法拉第定律，且电流值在逐渐增大。 当电流i 大于流经电阻的电流时，电容在充电状态。此时二极管承受反向电压而 关断。负载电阻两端的电影极性是上正下负。当开关关断时，如图2 2 ( b ) 所示， 二极管导通，电流开始减少。但是当转换器处于连续模式时，电流不会减少到o 。 开关导通和关断时电感两端的电流和电压如图2 3 所示。 图2 3 连续工作模式下电感两端的电流和电压波形 1 ) 0 t d t t - - 0 时开关s 导通，此时二极管两端电压反偏关断，电压大小为- v i 。电感两 端的电压为 v = v , - v o = l 塞 通过电感的峰峰值电流为 地i = 鼍? t i t = 鼍产d t 2 ) d t t t t = d t 开关关断，二极管导通。电感两端的电压为 v l = - v o = l 塞 通过电感的峰峰值电流为 式( 2 1 ) “ o h v v 儿 v 8 动态可重构p i d 控制器的设计 由于 所以有 厶i l 2 - - 选l 一厂l y i 盘= 半( 1 一d ) t 式( 2 4 ) i i l ll = i i l 2i 式( 2 5 ) 蛐ld t - ( 1 一。) t 式( 2 击) 得到 v 式( 2 7 ) ( 2 ) 不连续工作模式 不连续工作模式是指当开关关断时电感的电流开始减少直至0 ，并保持一段 时间然后开始上升。理想情况下电感两端的电流和电压波形如图2 4 所示。 图2 4 不连续工作模式f 电感两端的电流和电压波形 1 ) 0 t d l t 在这个时间阶段里，开关打开，二极管关断。电感两端的电压为 v l = v i - v o 二l 塞 式( 2 8 ) 峰峰值电流为 战i = v d b l - v o 1 。- d i td t = ! 学d 工t 式( 2 9 ) 2 ) d i t t ( d i + d 2 ) t 开关关断，但是由于电感的电磁效益，电路中的电流开始减少直到0 。电感 第二章d c d c 转换器的基础知识 9 两端的电压为 峰峰值电流为 吃= 一吃： i l 2 = 嚣d t = - l v , ( d 2 一d 1 ) t 3 ) d 2 t t d t 此时开关断开，二极管截止。通过电感、电容和电阻的电流为o 。 因为ia i l li = ia i ml ，可以得到 ( 巧一吃) d x t 。v o d 2 所以可以得出在不连续模式下输出电压的计算公式： y o2 盎v l 连续与不连续状态之间有个临界状态，其发生条件可以表示为 连续状态 昙业 i o 2 _一 整理得，临界状态时满足u i p 【( 1 d ) 1 1 2 。符合这个关系式的电感称为临界 电感。因此，当电路中的开关的占空比和临界电感为固定值时，b u c k 转换器的电 流连续与否是由电阻r 值确定的。当电阻的欧姆值增大时，工作状态将从连续的 转化为不连续的。另一方面，如果r 和开关的关断时间是固定的，当电感的l 小 于临界电感时，其工作状态由连续的转化为不连续的。 由电路的原理知，流经电容的电流i c 是( i l - l o ) i 。在电容两端产生的电压v o 称为纹波电压。在b u c k 转换器中，纹波电压的值为【v 1 d ) t 2 8 l c 。 b u c k 转换器可以简单看成是一个有低通滤波器的电压斩波器。低通滤波器的 作用就是滤去输入电压中随时间而变化的交流分量。输入电流是脉动的，与降压 转换器的连续与否工作状态无关。这个脉动电流，在实际应用中应受到限制，以 免影响其他电器正常工作。通常，电压和转换器之间会加入一些输入滤波器，这 种滤波器必须在开关转换器设计的早期阶段和建立模型过程就要予以先考虑，否 则，在开关转换器与输入滤波器联接时，可能会引起意外的自激振荡。 l o 动态可重构p i d 控制器的设计 2 1 2b o o s t 转换器 图2 5 所示的b o o s t 变换器的电路结构和b u c k 变换器很类似，只是电感和电 容的位置是相反的。 l f 卜 i = 顽 rf 。 可 图2 5 b o o s t 转换器 当s l 导通s 2 断开时，电流流过电感线圈l ，在电感线圈未饱和前，电流线 性增加，能量以磁能形式村存储在电感线圈l 中，此时电容c 放电，如图2 6 ( a ) 。 当s 2 导通s l 断开时，由于线圈l 中的磁场将改变线圈l 两端的电压极性，以保 持电流不变。此时磁能将转化为电压向电容和负载供电，如图2 6 ( b ) 。当负载上 的电压高于所需电压时将向电容充电；当负载电压低于所需电压时电容将放电。 v s p 4 d r 一 ii1 rv s f a f b ) 图2 6b o o s t 转换器工作原理 按照i l 在周期开始时是否从零开始，可分为连续工作状态或是不连续工作状 态两种模式。波形如图2 7 所示。 r 第二章d c d c 转换器的基础知识 v s i v l v 0 一一 一一一一一一一一lv , 一 o 0 t s ( a ) 电感电流连续( b ) 电感电流不连续 图2 7b o o s t 转换器的连续和不连续工作模式 2 h 在i l 连续工作状态，如图2 7 ( a ) ，开关周期t 最后时刻的电流就是下一周 期i l 的开始值的。但是如果电感太小，电流线性下降快，即在电感中能量释放完 时，尚未达到晶体管重新导通的时刻，因而能量得不到及时的补充，这样就出现 了电流不连续的工作状态如图2 7 ( b ) 。在要求相同功率输出时，此时晶体管和二 极管的最大瞬时电流比连续状态下要大，同时输出直流电压的纹波也增加。 在连续状态下，输入电流不是脉动的，纹波电流随l 的增大而减小。不连续 工作状态，输入电流i l 是脉动的，峰值电流比较大。因此在b o o s t 转换器中要求 比较大的电容c ，才能适应输出电压、电流纹波小的要求。 b o o s t 变换器中输入输出电压关系如下： 1 2 动态可重构p i d 控制器的设计 2 1 3b u c k b o o s t 转换器 v o 仳2 去曩 式( 2 1 4 ) b u c k b o o s t 变换器可以使增大或是减小输入电压的值，但是输出电压和输入 电压的相位是相反的。它的主要结构图如图2 8 所示。 图2 8b u c k - b o o s t 转换器 但是实际上它的应用电路稍显复杂，因为输入电流，输出电流是脉动的，为 了平波要加滤注器。基本原理是当开关s l 导通，s 2 关断时，电流流过电感线圈 l ，l 储存能量。当开关s 2 导通s 1 关断时，i l 有减小的趋势，电感线圈产生自感 电势反向，为下正上负，负载上有了输出电压，电容c 充电储能，以便当s 1 导 通时放电维持输出电压不变。 按照i l 的电流在周期开始时是否从0 开始，可分为连续或不连续工作状态两 种模式。波形如图2 9 ( a ) 、( b ) 所示。 按照和b u c k 转换器类似的推导可得到，输入和输出电压的关系可以表示为如 下方程： v o u t t - - t 一。k l l mv ： m 式( 2 1 5 ) 第二章d c d c 转换器的基础知识 0 ( ) 电感电流连续( b ) 电感电流不连续 图2 9b u c k - b o o s t 转换器的连续和不连续工作模式 2 2d c d c 转换器的调制方式 所谓的“调制方式”，从定义上讲，就是利用某一种电压或波形的改变，去控 制另一电压或波形发生某种形式的改变，都可以叫做“调制”。在开关电源中，所 谓的调制方式，就是利用电压的改变，去控制另一种波形的改变，最后达到能控 制输出电压的改变，同时还能控制输出电压稳定的一种技术措施。图2 1 0 给出了 开关电源结构框图。 图2 1 0 开关电源结构框图 把直流电压变换为另一种直流电压最简单办法是串一个电阻，这样虽然简单 1 4 动态可重构p i d 控制器的设计 但是效率很低。用一个半导体功率器件作为开关，是带有滤波器( l 和c ) 的负载线 路与直流电压一会儿连接一会儿断开，则负载上也得到另一个直流电压。这就是 d c d c 的基本手段，类似于“斩波”( c h o p ) 的作用【翻。 在开关电源中，一般是由大功率三极管或大功率场效应管来担任。由于电源 输出电压的改变和稳定，都是靠开关管的饱和和导通的时间和截止时间长短的改 变来实现的。所以称该管为“开关调整管 。在实际的电路中常用的有两种调制 方式：脉冲频率调制( p f m - p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 和脉冲宽度调制 ( p w m 鼎】l w i d t hm o d u l a t i o n ) 。脉冲频率调制式开关电源，它的开关调整 管的导通时间k 是固定的，由于导通时间是固定不变的。因此只有改变截止时 间t 0 丘才能改变频率。因为这种制式是通过改变工作频率来实现稳压的。不论是 负载发生变化还是输入电压发生变化，都要引起输出电压的变化。这个变化的电 压，经过稳压电路，使脉冲的频率发生变化，实质上就是调整管的截止时间发生 了变化，这样同样能改变直流分量，从而能改变输出电压和达到稳定电压的目的。 当它的输出电压正常时，如图2 1 l ( a ) 所示。当输出电压下降时，经过稳压电路， 使截止时间缩短，脉冲频率增高，如图2 1 1 ( b ) 所示。由于直流分量增加了，从 而抑制了输出电压的下降，维持了输出电压的稳定。如果输出电压上升，经过稳 压电路，使其截止时间加长，频率降低，如图2 1 l ( c ) 所示。由于直流分量降低 了，从而抑制了输出电压的上升，维持了输出电压的稳定。它的优点是输出电流 小，在低负荷是效率高。 ( a ( b ) 厂 厂 厂 ( c ) 图2 1 l 脉冲频率调制 脉冲宽度调制( p w m ) 方式，就是用输入电压的变化，使输出脉冲宽度发生 变化的一种方式。脉冲宽度调制式开关电源中开关调整管工作的周期t 是固定不 变的，输出电压的改变和稳定，就是控制开关调整管的关断和导通的时间。不论 是负载电流发生变化还是输入电压发生变化，都要引起输出电压的变化，将这个 输出电压的变化量，经过稳压系统，又去控制开关调整管导通时间的长短，从而 使脉冲的宽度发生变化，最终使输出电压是稳定的，如图2 1 2 所示。在输出电压 正常的情况下，假定脉冲的宽度如图2 1 2 ( a ) 中所示。当输出电压低于正常电压 第二章d c d c 转换器的基础知识 1 5 时，经稳压电路使脉冲的宽度变宽，如图2 1 2 ( b ) 所示，由于脉冲变宽，使它的 直流分量增加，也就是平均电压增加了，结果使输出电压回升，从而就抑制了输 出电压的下降，维持了输出电压的稳定。如果输出电压升高了，经稳压电路使脉 冲宽度变窄，如图2 1 2 ( c ) 所示，由于脉冲宽度变窄，使它的直流分量减少，也 就是平均电压降低了，使输出电压降低，从而抑制了输出电压的升高，维持了输 出电压的稳定。 厂 厂 厂 t 0 i i 变宽 图2 1 2 脉冲宽度调制 相对于p f m 控制，虽然在低负荷时效率较逊色，但是因为其纹波电压小，且 开关频率固定，噪声的设计比较容易，消除噪声也较简单。而且满负载时效率高 并能在工作在连续导电模式。因此目前p w m 是应用在开关电源中最为广泛的一 种控制方式。下面详细介绍p w m 调制方式在降压d c d c 转换器中的实现。 图2 1 3 显示的脉冲宽度调制( p w m ) 控制方式由误差放大器和比较器两部 分构成。下面从功率方程、分压器电阻和p w m 输出来分析瞄j 。 。i 二二】亘亟酉亘二 一一一一一一j 图2 1 3 p w m 控制方式 1 6 动态可重构p i d 控制器的设计 1 ) 功率方程 在前面的b u c k 电压转换器原理中得知，电容和电感构成一个有两个极点两个 零点的滤波器。因此可得到输入输出转换方程为 g ( s ) = 器= 毒 式( 2 - 1 6 ) 2 ) 分压器电阻 通常电压转换器的输出电阻会接一个分压电阻。它的作用主要是用于它的电 压和下一级的放大器的参考电压进行比较的结果作为误差放大器的输入。根据欧 姆定律，可以得到 简化得到 一v r 印 r ，+ r r 口 = 玉 r tv 魍 式( 2 1 7 ) 3 ) p w m 输出 从图2 1 3 可知，在脉冲宽度调制控制器中，误差放大器的输出e a o u t 作为 比较器的输入。而这个比较器的另一个输入时三角波( r a m p 信号) 。因此，根据比 较器的工作原理我们可以得到不同宽度的信号来驱动开关。如图2 1 4 中，当 e a - o u t 低于r a m p 信号时比较器的输出结果p w m 信号为高。反之，则为低。因 此可以调节e a - o u t 来控制p w m 信号的周期比，从而控制电路中开关的周期来控 制输出电压的值。 p w m 输出 三角波 图2 1 4 p w m 输出 误差放大器的 输出高于参考 电压 2 3 数字d c d c 转换器及实现方式 数字电源具有高性能和高可靠性的特点，其设计非常灵活。随著i c 厂商不断 推出新型号、性能更好的数字电源i c 产品以及用户对数字电源认识的深入，数字 电源的应用将会得到普及。 第二章d c d c 转换器的基础知识 1 7 近年来，许多相关的因素导致对数字电源管理的需求急剧上升。许多板卡设 计人员已经转向开发中间总线电源结构，通过使用多个单板d d d c 转换器来产 生不同的器件所需要的多样化的电源要求。这导致一个很明显的结果就是在产品 的设计、生产测试及日常使用的过程中，配置、控制及监控这些电源将变得更加 的复杂。光是控制上电下电时序就需要专门的可编程集成电路及大量的额外部 件，更别说用于灵活的系统级控制和诊断所需要的配置或实时反馈设施。 目前许多高性能的d c d c 转换器仍是通过简单的无源元件产生的模拟信号 来进行设置和控制。即使具有最先进电源转换拓扑结构的高性能转换器，也有可 能需要使用外部调节电阻和电容来确定诸如输出点值和开关频率等参数。当然， 这些参数没有一个是可以在匆忙中更改的，因此自适应的电源管理方案就不可能 实现。 除了一些专门用于微处理器( 其中以v i d 代码的形式为输出电压控制提供有 限的数字编程性) 的转换器之外，市场上大多数砖形转换器、中间总线转换器及 负载点( p o i n to f1 0 a d , p o l ) 转换器仍然是采用模拟控制的。对数字控制需求最 为迫切的是非隔离负载点转换器，因为这些转换器广泛用于板卡上并为器件提供 最终电压。然而，这个需求也适合于隔离转换器，因此，毫无疑问，设计者们希 望能够很快得到其他的数字可编程电源。 数字电源或数字控制电源有几种不同的含义。 最简单的定义是通过数字接口控制开关稳压器，这可能包括通过1 2 c 或类似 的数字总线控制输出电压、开关频率或多通道电源的排序、裕度控制、加电和断 电排序等等都可以通过一个或多个数字信号控制。实际上，目前市场上的很多电 源管理集成电路都以这种方式工作：通过数字接口控制模拟开关稳压器。 第二个是给前面定义加上所谓的数字遥测。在这种情况下，提供额外的控制 功能以监视开关电源的状态，如温度、输出电流、输入电流、输入电压、输出电 压等，并根据需求或周期性地向主机报告。i d 标记、故障状态信息甚至时间标 记事件等其他信息也可以存储在片上非易失性存储器中，并在将来某个时间报告 这些信息，具有大量数字集成电路的高端系统是这类数字电源的目标市场，而较 低成本的消费类产品可能不需要这样的信息。 第三个也是最野心勃勃的数字电源含义是，用数字电路彻底取代开关稳压器 中的所有模拟电路。据说这样将使开关稳压器更容易设计、配置、稳定、调节和 销售。更进一步的理由是，通过编写几行简单的代码，一个核心数字电源集成电 路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、s e p i c 、反激式或正激式转 换器。正是数字电源的这个含义最难以理解，因为从根本上来说，电源是模拟的。 甚至用a d c 和d s p 取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关稳压器也仍然 需要电压基准、电流检测电路和开关或f e t 驱动器。此外，电感器或变压器和 1 8 动态可重构p i d 控制器的设计 电容器在实现数字电源时也是不能没有的。 数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。在简单易用、参数 变更要求不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，因为其应用的针对性可以通 过硬件固化来实现，而在可控因素较多、实时反应速度更快、需要多个模拟系统 电源管理的、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优势。 此外，在复杂的多系统业务中，相对模拟电源，数字电源是通过软件编程来 实现多方面的应用，其具备的可扩展性与重复使用性使用户可以方便更改工作参 数，优化电源系统。通过实时过电流保护与管理，它还可以减少外围器件的数量。 数字电源有用d s p 控制的，还有用m c u 控制的。相对来讲，d s p 控制的电 源采用数字滤波方式，较m c u 控制的电源更能满足复杂的电源需求、实时反应 速度更快、电源稳压性能更好。在市场上生产数字电源芯片的公司包括m i c r o c h i p ( 8 、1 6 位d s c 方案) ，t i ( 3 2 为数字信号控制器方案) 和z i l k e rl a b s ( 电源管 理+ d c d c 方案) 等公司。 相比较而言，数字技术在电源应用方面就有很多潜力和优, 点t 2 4 j ： ( 1 ) 数字器件对环境的变化不是十分敏感，而且不易老化； ( 2 ) 抗噪能力强； ( 3 ) 数字系统可以通过编程控制换句话说，数字系统只需改变控制器而不需 要硬件上作出改变，非常的灵活； ( 4 ) 可以应用更先进的控制理论于数字控制器上，例如适应性控制，预测控 制等这些无法在模拟电路中应用的控制方法。 但是数字d c d c 转换器中包含的技术无疑是复杂的，但它的使用并不一定 就是复杂的。不过它要求设计人员具有一定的程序设计能力，而目前的电源设计 普遍都是模拟设计为主，缺乏编程方面的训练。这对数字d c d c 转换器的推广 造成了一定障碍。而且成本高是约束数字d c d c 转换器广泛应用的一个主要因 素。所以从用户角度上考虑，只有当数字电源成本等于或低于模拟成本，同时又 能提供模拟d c d c 转换器做不到的许多先进功能的时候，数字d c d c 转换器才 能成为主流产品。 从目前情况看i w a t t 、t l 德州仪器、凌特公n ( l i n e a rt e c h n o l o g y ) 等大公司纷 纷推出自己的数字电源i c ，这表面业界对数字电源的前景是看好的。据i s u p p l i 和雷曼兄弟公司的报告表明，整个数字电源市场将在2 0 0 6 年实现创收1 6 8 亿美 元左右，并且很快会成为电源市场非常重要的一部分；业界估计年复合增长率 ( c a o r ) 在今后几年将超过1 0 0 。 第二章d c d c 转换器的基础知识 1 9 v o u t 瞳 图2 。1 5 数字d c d c 转换器 数字d c d c 转换器的结构如图2 1 5 所示，包括模拟电源级和数字控制部分。 模拟电源级主要实现电压转换的功能，电路内用一个m o s 管作为开关。而数字 控制部分主要是产生控制开关工作的波形，输入量是分压电阻电压，输出量是具 有一定占空比的波形。数字控制部分由以下三部分构成。 1 ) 数模转换器( a d c ) ，位于模拟电源级和数字控制器之间，它用于检测电 源级的模拟信号，例如输出电压，电流和温度等，并将其转换为数字信号； 2 ) 数字控制器。它通过数字算法计算占空比。在数字电压转换器中，数字 p i d 控制器是最普遍利用的控制器。而且不仅仅是传统的线性控制方法，更精确 更复杂的非线性的控制方法也可以应用在数字控制器上。现在的数字平台也使数 字控制更简单更可靠了。 一般来说有两种方法被应用于设计数字控制器【2 5 】。一种是通过估计方法的数 字重设计。它忽略了在控制回路中任何的零点控制和样本，并在提供了一种在频 域中的程序设计方法。然后通过数字控制器的公式将它转换到时域中。这种方法 的优势在于工程师可以直接考虑频域而不是z 域。但是它的缺陷在于在转换到时 域控制器时，z 域中的极点会因此偏离原有的位置，导致了必须有验错程序。 另一种方法是直接设计方法。通过零点控制或者第一级控制或是其他方法转 换到连续时间域，并利用对非连续时域进行抽样【2 6 】。当这个非连续时域可用，则 控制器可以利用非连续时域下频率响应或者根轨迹的方法在z 域上进行设计。这 个方法的优点是在非连续控制器中零点和极点时无关的。但是对于设计者而言， 很难直接判断在z 域中符合系统要求极点和零点的位置。必然地，导致了一些偏 j 忽o