（微电子学与固体电子学专业论文）pwmpfmdsm数字dcdc控制芯片的研究设计.pdf

摘要 摘要 随着便携电子产品越来越多的进入到人们的生活 电源管理成为了一个越来 越重要的问题 如何使电子设备可以高效 长时间的运行也越来越受到国内外学 者的关注 本文着眼于数字控制方式 设计了p w m p f m d s m 三模式切换的多模 式数字控制电源管理芯片 该方式可以实现在较大的负载电流范围内 0 5 0 0 m a 系统能始终保持较高的转换效率和反应速度 p w m p f m d s m 数字d c d c 控制芯片采用c h a r t e r e d0 3 5 p m3 3 v 5 v2 p 4 mc m o s 工艺设计 包括基准 a d c 数字调制器 p i d 数字补偿器 模式切换电路 采 样保护电路 驱动电路和功率m o s f e t 完成了m a t l a b 系统建模仿真 数字部分进行了f p g a 验证 同时使用u l t r a s i m 完成了控制芯片的闭环系统仿真 结果表明开关信号频率最高达到2 m h z 输出 1 1 1 8 5 v 其由5 b i t 控制码决定 系统启动时间小于1 m s 作者完成了数字调制 器 p i d 数字补偿器和模式切换电路的设计 其中数字调制器中的d p w m 经过了 流片验证和测试 完成了整个控制芯片的版图设计和验证 正在c h a r t e r e d 流片 中 关键词 多模式 数字控制 d c d c 同步整流 脉宽调制 脉频调制 调 频调制 摘要 a b s t r a c t p o w e rm a n a g e m e n th a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw h i l ep o r t a b l ee l e c t r o n i c p r o d u c t sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r s c h o l a r sa th o m e a n da b r o a da r ec a r ea b o u th o wt o m a k ee l e c t r o n i cp r o d u c t sw o r kh i g h l ye f f i c i e n ta n dw o r ka sl o n ga sw ec a n t h i sp a p e rf o c u s e s o nd i g i t a lc o n t r o lm e t h o da n dh a sd e s i g n e dam u l t i m o d ed i g i t a lp o w e rm a n a g e m e n tc h i pw h i c h i n c l u d e sp w mp f ma n dd s m t h i sc h i pc a nm a i n t a i nh i g he f f i c i e n c ya n dr e s p o n s es p e e d w h i l et h el o a dc u r r e n tv a d e sf r o mal a r g er a n g ef r o m0t o5 0 0 m a t h ep w m p f m d s md i g i t a ld c d cc o n t r o lc h i pw a sd e s i g n e db a s e do nt h ec h a r t e r e d 0 3 5 p m3 3 v 5 v2 p 4 mc m o sp r o c e s s w h i c hi n c l u d e ss u c hm o d u l e sa sf o l l o w s r e f e r e n c e a d c d i g i t a lm o d u l a t o r s d i g i t a lp i dc o m p e n s a t o r m o d e s w i t c hc i r c u i t s e n s e p r o t e c tc i r c u i t s d r i v e ra n dp o w e rm o s f e t h a v ef i n i s h e dt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h es y s t e mb ym a t l a b d i g i t a ld e s i g n sh a v e b e e nv e d f i e db yf p g aa n dt h ec l o s e l o o ps i m u l a t i o nw a sf i n i s h e db yu i t r a s i m t h er e s u l t i n d i c a t e st h ec o n t r o l l e ri cc a no p e r a t ea tt h ef r e q u e n c yo f2 m h za n dc o n v e r tt h es u p p l yv o l t a g e 2 5 vt o1 1 1 8 5 v t h ea c t u a lo u t p u ti sc o n t r o l l e db ya5 一b i tv i da n dt h es t a r t u pt i m ei sl e s s t h a n1 0 m s t h ed p w mm o d u l ei nt h ed i g i t a lm o d u l a t o r sh a sf i n i s h e dt a p e do u ta n dt e s t t h e c o n t r o l l e ri ch a sf i n i s h e dl a y o u td e s i g na n dv e n f y n o wt h ec h i pi sb e i n gt a p e do u tb y c h a r t e r e d k e y w o r d s m u l t i m o d e d i g i t a lc o n t r e l d c d c s y n c h r o n o u sb u c k p w m p f m d s m 第一章引言 第一章引言 正如很难想象现在的生活不能离开电一样 现在的世界也不能离开转换和管 理电能的核心 电源管理芯片 现在众多的应用电子领域如手机 计算机 汽 车电子 工业控制等 在中国这个大市场里面都给国内外的商家和科研人员提供 了广阔的市场和空间 本章着重介绍数字电源管理特别是多模数字电源管理的概念和特点 多模式 电源管理模块设计的优势 本章最后介绍本文的主要研究内容和文章组织结构 1 1 数字电源研究背景和发展前景 如同前文提到的 电源管理在我们的生活中开始占据越来越重要的地位 目 前 开关电源管理领域的主流产品还是在使用的是模拟控制器 低功耗 低成本 小尺寸 高性能 高整合是其发展趋势 模拟电源管理芯片的特点是补偿回路一 般需要外接分立元件进行调节 而且一般来说 每一种模拟电源管理芯片只能面 向一种变换应用 如果采用数字控制技术 由于芯片内部全部是数字信号 所以 很方便的加上通信接口 图1 1 显示的是模拟控制和数字控制不同的系统架构 用方框显示的是系统中的电源管理i c 模块 其余部分为电源控制的功率元件 数字技术和模拟技术之争在最近几年蔓延到开关电源管理领域 普遍认为 数字电源管理一些显著的优点在不少领域将有取代模拟电源管理的趋势 这个美 好的预期催生了诸如z i l k e rl a b s f y r e s t o r m 等新兴公司 一些传统大厂如s i l i c o n l a b p d m a d o n i n t e r s i l t i 等也参加了这场竞赛 此间 涌现出大量出色的数字 电源管理芯片 例如 z l 2 0 0 5 z l 2 1 0 5 s i 8 2 5 0 p x 3 5 3 9 p x 7 5 1 0 i s l 6 5 9 2 i s l 6 5 8 0 u c d 9 k 等 同时 数字电源得到了众多大学研究机构的重视 从最近几年的i e e e a p e c 会议目录上可以看到 科罗拉多大学 加州大学贝克利分校等知名大学一 直做着这方面的工作 1 1 9 到目前为止 国内在数字电源方面的研究可以检索到的主要文章还不多 基 本没有成熟的系统级应用口 一翻 而且设计的芯片的工作频率大多低于1 m h z 精 度也很有限 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室从2 0 0 3 年左右开始 第一章引言 对数字电源管理芯片的设计进行了跟踪 在控制算法与架构设计 芯片单元电路 设计以及系统测试等方面积累了不少经验伫3 一冽 f f 一i 甭磊蕃运瑟 编程接口 l 一 一一一一一 一一一一一 一 一一一 模拟电源管理l c a b 图1 1 模拟和数字控制的系统架构 a 为数字控制系统框图 b 为模拟控制系统 框图 数字控制方式有几个显著的优点 1 简洁性 不需要外接分立元件来调 整算法 一方面降低对分立元件参数的敏感性 另一方面减少了芯片引脚 2 通用性 如果需要 控制算法可以通过相应接口进行编程调节 这样面对不同的 应用 不像模拟控制器那样需要再设计对应的控制芯片 3 监控性 如果需要 可以加上开关机时序控制 电流 电压监视这些电源管理功能 4 灵活性 可 以通过编程实现非线性控制 设定电压 电流保护的域值等功能 5 复用性 从芯片设计角度考虑 采用硬件描述语言就可以完成核心电路的设计 大大加快 了开发周期 同时具有很好的复用性 但是尽管数字技术相对模拟技术拥有这些 独特的特点 但是其内部无法避免的需要a d c 电路以及一定精度的数字p w m d p w m 电路来避免极限环效应 因此在一些低功耗领域的优势仍然不明显 但是 单芯片的模拟电路往往无法实现和数字电源管理一样复杂的监控和管理功 能 因此 数字电源管理芯片的发展 一方面在于低功耗架构的设计以增加在效 率敏感领域的应用 另一方面在于在单芯片上实现更多的附加功能 降低系统设 计的尺寸和成本 此外 面向实际应用的数字电源管理芯片还应该提供自动化的 2 第一章引言 算法设计和下载软件 简化应用难度 避免用户的学习和设计成本 因此 数字 电源管理也受到越来越多的关注 相信在不久的将来 数字电源管理芯片势必将 会在市场开辟出一片天空 1 2 多模式电源管理模块设计 在应用电子开始逐渐进入人们的生活以后 市场上对于个人电子产片的电源 管理的要求也越来越高 不仅仅是便携设备上 在高端应用例如服务器的电源管 理芯片设计中 散热和电能转换效率变得越来越重要 对于一个动态电压调制的 系统来说 要实现高效的能源转换 不仅仅需要在低负载时采用休眠策略 还需 要在高负载是采用告诉的转换策略 比较常用的转换方式是在整个负载变化过程中采用多种转换模式来适应不 同的需求 目前常用的转换模式有脉宽调制 p w m 和脉频调制 p f m 如图 1 2 所示 p w m 和p f m 模式分别能在低负载和高负载达到很高的转换效率 即是 在区域c 和区域a 中 p w m 和p f m 能分别满足高效的转换 但是 可以从图中 看到 在区域b 中 不论是使用p w m 还是p f m 都会带来一个明显的效率下降 这意味在p w m 和p f m 模式切换的时候的效率曲线不能平滑的过渡 这种现象当 芯片的工作负载范围加大的时候 区域b 的效率转换就成为了电源管理性能的一 个弱项 本文针对常用的便携设备1 5 0 m a 的峰值工作电流和低于l m a 的休眠工 作电流 在p w m 和p f m 模式切换的过程中添加了跳频模式 d s m 其工作效率 曲线如图1 2 中曲线川所示 转换效 1 负载电流 图1 2 不同模式对负载电流变换时的转换效率 3 第一章引言 为了进一步提高电源转换的效率 本文设计在输出到功率器件的信号还添加 了死区控制电路 用以有效地降低功率管的功耗 因此本文涉及的电源管理芯片 的预期效率曲线 将如图1 2 中曲线i v 所示 1 2 1 多模数字电源管理模块设计的挑战与应对措施 面对现在电源管理模块在便携电子应用中处于越来越重要的位置 芯片设计 也面临越来越多的挑战 在整个电源管理集成电路市场发展的背景下 低电压大 电流d c d c 控制电路作为一种重要的电源管理集成电路 同样保持了高速增 长 尤其是随着个人电脑 服务器 笔记本电脑 通信系统 数据网络等市场以 及各种高端a s i c 应用场合的不断扩大 未来前景看好 总结近年来市场上对于 电源管理芯片的需求 芯片设计的挑战来自于以下几个方面 便携产品功能不断增加 越来越多的应用功能开始集成化 以手机为典型的 代表 当前的手机产品除了通话功能以外往往还包含多种多媒体娱乐功能 芯片 的工作电流越来越大 但是相应也要求电源管理芯片能高效的转换电池能源以提 高其续航能力 为了实现低功耗 高端芯片大多采用d v s d y n a m i c v o l t a g es c a l i n g 技术 即 芯片的供电电压随着工作状态动态调整 比如 i n t e lc p u 供电标准v r m 9 x v r d l 0 1 和v r d l l 分别规定 输出电压由c p u 发出的v i d v o l t a g ei d e n t i f i c a t i o n 码控制 从1 1 v 到1 8 5 v 从0 8 3 7 5 v 到1 6 v 和从0 5 v 到1 6 v 可变 最小变化台阶分别为 2 5 m v 1 2 5 m y 和6 2 5 m v 同时 随着工艺的进步 芯片的供电电压随之降低 比如 预计到2 0 1 0 年i n t e lc p u 工作电压将小于0 8 v 此时输出电压的波将可能 会成为影响芯片的工作的重要因素 芯片的集成化越来越高 在电源管理模块方面 也同样要求减少外围功率器 件的尺寸 为此芯片必须工作在比较高的频率下 但是为了满足d v s 的要求 芯片内部处理系统必须满足一定的精度的要求 高频和高精度的处理也给芯片的 设计带来了很多的困难 为了实现较高的转换频率 多模式的引进也是势在必行 多模式直接的切换 方式和逻辑也给芯片的设计带来了新的问题 不合适的切换方式有可能会使得转 换效率不增反降 4 第一章引言 针对以上这些在电源管理芯片设计上会遇到的问题 本文的设计也采用了相 应的应对措施 为了适应现在便携设备芯片工作电流范围越来越大的现状 在原有的 p w m p f m 的基础上增加了d s m 模式用以提高原有双模式切换时的转换效率 在 功率器件的输入信号前面增加死区控制模块以提高功率管的效率 使系统在起工 作区域能始终保证较高的电源转换效率 支持d v s 技术 输出电压由输入的多位v l d 码控制 同时具有小的设置点误 差 s e tp o i n te r r o r 以支持芯片的低功耗设计 提高芯片的工作频率 采用优化 的延时环结构产生系统时钟 可以有效的抑制温度和电源对频率的影响 采用优 化的p i d 控制来提高系统的响应速度 采用片内集成的电流 电压和温度采样电路 可以智能地根据系统的负载情 况选择合适的工作模式 充分利用数字控制的优势 并在不同的工作模式中开启 或者关闭相应的模块 进一步提高系统的效率 图1 3 显示的是本文涉及的 p w m p f m d s m 数字控制电源管理模块系统框图 p w m p f m d s m 数字d c d c 控制芯片 图1 3p w m p f m d s m 数字控制电源管理模块系统框图 作者负责设计的部分包括数字调试器 p i d 数字补偿器 模式切换电路 芯 片其他模拟设计部分由组内其他同学设计完成 数字调制器部分包括了软启动电 路 p w m p f m d s m 数字调制器 其中的d p w m 模块已经流片验证和测试 5 第一章引言 1 3 主要研究内容和论文结构 本文的研究内容侧重于基于便携设备的多模式数字控制电源管理模块 主要 包含一下几个方面 低压小电流控制系统算法和架构 包括 系统建模仿真 电压控制回路算法 设计与验证 满足控制回路的高频高精度数字p w m p f m 模块的设计 d s m 模块的设计和 验证 p i d 电路的设计 本文主要的设计重点在于p w m 模块的设计和实现 目 前采用了3 种不同的实现方法 多模式数字控制的切换 引入了电流 电压和温度采样电路 实时根据系统 的运行状态切换合适的转换模式 论文将按照一下的结构安排 第二章将主要介绍多模数字控制系统的建模和 仿真 外围功率元件的参数选择和依据 第三章将主要应用于本文控制系统的 p w m 模块的设计和实现 本文对于p w m 模块的研究一共采用了3 个不同的方案 来实现 其中2 种方案已经经过了流片以及p c b 的测试 第四章主要介绍p f m d s m 模块的设计 第五章将主要介绍多模式数字控制电源管理系统的验证仿真结果 第六章将给出全文的总结并对今后的工作进行必要的展望 最后是致谢和参考文 献 6 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 本文提出的多模数字控制系统的设计和实现主要针对低压小电流的便携设 备 其主要包含以下几个方面的设计内容 1 外围同步b u c k 整流电路 2 数字 控制模块 3 数字调制模块 p w m p f m d s m 4 a d c 和b a n d g a p 模块 其 中前三个模块由本人设计完成 a d c 和b a n d g a p 模块由组内其他同学设计完成 本文设计的多模数字控制电源管理芯片参数如表2 1 所示 表2 1 多模数字控制电源管理芯片参数 输入电压 2 5 v 输出电压 1 1 1 8 5 v 开关频率 2 m h z a d c 精度 7 8 m v d p w m 精度 1 0 b i t 相位数 1 滤波电容 5 0 u f 滤波电感 1 0 0 u h 输出电压纹波 图2 3 b u c k 拓扑结构 如上图所示 虚线框内的部分就是b u c k 电路的拓扑结构 考虑了电容和电 感的寄生电阻参数 由图中可以看出 影响最终输出的因素有以下3 个 电源电 压v g 占空比信号d 和输出电流i i o a d 对电路的反馈影响 设计主要需要考虑输出 信号主要有2 个 输出的电压v o 和电感上的电流il 前者是下级功率器件的供电 电压 后者是电路稳定的重要参数 则b u c k 电路的小信号模型如图2 4 所示 d i o l 图2 4b u c k 电路小信号模型 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 上图甲 共甲 u v a s 为牺出电 盘到獭入占至比阴传递凼致 z 0 s 为升蚧獭 出阻抗 g v g s 为输出电压到输入电压的传递函数 g j d s 为电感电流到占空比的 传递函数 g i i s 为电感电流到负载电流的传递函数 g i g s 为电感电流到输入电 压的传递函数 根据文献 3 3 j 的介绍 可以得出这6 个传递函数如下所示 啪m 面赫 z s 2 9 c c l s l r c r l c r o 7 s c l s c r 群 1 叫 d 而丽s c g 而c 丽 2 1 班圪而焉意雨丽 啪 面勘 g g s d 而焉瓦s ji 丽 2 1 2 3 同步b u c k 整流电路重要参数选取 功率元件在整流电路中直接地决定了电路的动态响应速度 纹波等重要的 参数 在建模阶段选择合适的功率元件可以有效的仿真系统的反应 系统的带宽 也是需要在建模阶段确定的重要系统参数 本节将主要介绍本文涉及的多模数字 控制电源管理芯片的重要参数选取 2 2 3 1 系统带宽以及滤波电容参数的选取 分析滤波电容的串联等效模型 可以计算由于负载电流突变给输出电压带 来的影响 图2 5 为滤波电容串联等效模型 其中l e 为寄生等效电感 r c 为寄生 电阻 c 为等效电容 1 0 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 图2 5 滤波电容串联等效模型 根据参考文献 6 4 的计算方式 可以得出滤波电容的谐振频率c oc 和寄生电阻 r e 满足 瓮等足够 j 其中谐振频率妒 猛时 缈 上 l 系统在负载电流突变时对输出电压的影响可表示为 堋 芸x 警 其中删 为阶跃函数 2 2 由此可以看出 由负载电流突变引起的输出电压的变化可以由3 个变量来决 定 电流突变的大小 系统带宽和滤波电容的大小 根据文献f 3 3 介绍 因为不 论是p w m p f m 还是d s m 都是一个开关噪声很大的系统 为避免开关噪声对系统 回路的影响 系统带宽一般需要小于f s w 6 才能稳定 典型值为f s w 1 0 但是根据 式 2 2 较大的系统带宽可以降低负载电流对输出电压的影响 即是有较好的 动态响应 折中考虑这样的情况 本文选择的系统带宽为f s w 1 0 为2 0 0 k h z 采用 4 7 u f 的电容 这样在负载电流突变的时候 输出电压的变化在5 0 m y 以内 根据三 洋电容的产品参数表 该电容的e s r 为2 mq 2 2 3 2 滤波电感参数的选择 同步b u c k 整流采用常用的l c 网络 由于电容参数在前面的章节已经选择了 相应的值 因此电感参数成为影响输出纹波的唯一变量 一般来说 输出纹波由 3 个部分组成 首先 l c 网络会贡献一部分纹波 晔昙暇 删若 2 3 1 1 l c 艮 1 i 于 烈 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 其中 v g 是输入电压信号 l 为电感参数 c 为电容参数 t s 为开关周期 则根据数学运算 l c 网络贡献的纹波会有一个最大值 即 k j 1 2v g t 石 2 4 输出纹波的另外一个部分来自电感的寄生电阻r e k r 其中 为电流纹波 其值满足下式 r v o dr dt 2 5 2 6 输出纹波的第三个影响来自电容的寄生电感 该影响往往在高频工作下起到 很重要的作用嗍 k 半 厶 一早 厶 一v l v o 上拉管导通时 下拉管导通时 2 7 综合式 2 3 2 5 2 7 当选择的电容参数为4 7 u f 时候 选择滤波电感 参数为1 0 u h 查电感手册得到电感寄生电阻为3 3mq 这样的l c 网络产生的纹 波小于1 0 m y 满足设计的要求 2 2 4 同步b u c k 整流电路s i m u l i n k 建模 s i m u l i n k 建模可以在电路实现前从系统级来预测虽终电路的结果情况 因此 一个合理 合适的s i m u l i n k 模型将对设计有很大的帮助 根据式2 1 以及前面确定的电容和电感的参数 s i m u l i n k 采用的结构如图2 6 所示 1 2 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 图2 5 同步b u c k 整流采用的s i m u l i n k 模型 同步b u c k 整流结构的参数设定如图2 6 所示 图2 6 同步b u c k 整流结构参数 其中 开关管上拉电阻和下拉电阻基于参考文献 删的计算得出 改同步b u c k 整流电路s i m u l i n k 仿真结果如图2 7 所示 图2 7 中 所示的波形由上至下分别是 电感电流i l 输出电压v o 电容电流i c 由图中可以看出 b u c k 系统能在0 8 m s 的时候达到稳定 对于系统在负载电流突变时对输出电压的影响 采用如图2 8 所示的模型进行仿真 图2 8 的仿真结果由图2 9 所示 图2 7b u c k 电路s i m u l i n k 仿真结果 图2 8 负载电流突变s i m u i i n k 仿真模型 s c o p e l 1 4 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 嘲圈疆凝簸嬲髓鞭嚣翰臻麟强鞲麓缵豳鼠麟臻强豳豳麓懿疆圜强黧疆缓疆臻磁爨翳麟豳醴蕊翳凝溺兹鹱弱翳强疆臻疆臻鬻黧掰懿鞘龋黝掰蕊豳凝礴 i li i i 一i 11l i 一l 一 i i l i 一 弋1 一 一l 露 一 一l l 目l 黧一厂 一 一i 一 一一i 一 i 一 一 一 i 一2 i 誉 j i 曩 疆 图2 9 负载电流突变时输出电压s i m u l i n k 仿真模型 由图2 9 可以看出 当负载电流变化4 0 0 m a 时 输出电压的变化为1 8 m y 符合设计的要求 2 2 数字控制器的算法设计 本节将介绍本文涉及的数字电源管理模块中的数字控制部分 目前 各种数 字控制技术被大量的应用到电源管理领域 例如 滑模控制 模糊控制等等 本 节将使用传统的控制理论为电源管理模块设计控制器 经典的传统控制理论采用对系统中每个模块在s 域进行建模 以信号流图为 基础 通过系统环路的频率响应和瞬态响应分析系统的稳定性 3 7 3 9 对于开关电源系统 根据所采样的反馈信号的类别主要可以分为电压控制和 电流控制 电压控制是通过采样输出电压来和预期的输出电压进行比较 通过两 者的差值来控制系统自动进行调整 电流控制则是通过采样电流信息和输出电压 来实现反馈的功能 目前主要的电流控制是通过采样功率管上的或者电感上的电 流来进行反馈 电流控制因为采样电流的环路从系统上表现出来的是只有一个低 频极点的系统 可以有很快的响应速度 而且电流是系统最直接的输出变量 采 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 用电流环路就可以进一步提高系统的反应速度 但是 这样的控制方式相对于电 压控制来说 其不足也是很显而易见的 首先 电流控制增加了电流环路 增加 了设计的成本 第二 在小电流应用领域 例如便携设备 电流采样电路的复杂 性也限制了它的使用 第三 当系统输出占空比信号相对较低时 电流采样容易 产生谐波振荡现象 必须通过添加频率补偿技术来克服这样的现象 因此 综合 考虑以上的现象 本文的设计还是采用了电压控制方式来设计控制器 2 2 1 电压控制架构和算法设计 不 根据参考文献 3 3 的介绍 典型的电压控制电源管理的系统框图如图2 1 0 所 v 图2 1 0 电压控制电源管理系统框图 上图中由虚线所框出的部分即是同步b u c k 整流电路 其中h s 为采样增益 v f e f 为参考电压输入 g c s 为需要设计的控制器模块 m o d u l a t o r 即是系统采用的 调制器模块 例如 p w m p f m d s m 等等 因为a d c 模块s 域的表达式为常数 故在s 域的系统框图中没有单独表示出来 控制系统通过采样输出电压 并将采样回来的电压信号和一个基准电压v r e f 来进行比较 比较得到的差值通过补偿器的运算输入到调制器模块生成开关信号 输入到同步b u c k 整流部分 最终输出预期的电压提供给下级电路 最终输出信 号和v r e f 之间的误差稳定在a d c 的最小精度之内 即是差值的数字信号为 0 时 系统达到稳定 1 6 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 由图2 1 0 可以得到 系统最终的输出v o 的开环表达式为 吃 器 也志一l t o a d 志 其中 不妨设 t 姆吼 开环增益 则表达式 2 8 可以变为 一o 1 t o 1 v g z o 埘 2 万丽 v g 高一 需 本节接下来的部分将介绍对电压控制的架构和算法设计 2 2 1 1 系统和电压控制传递函数的设计以及稳定性研究 2 8 2 9 对开环增益t 中的部分进行分析 其中h 和v m 都是常数 因此影响开环特 性的只有g c 和g v d 这2 个部分 然而g c 正是本节需要设计的部分 首先 需要 分析的是同步b u c k 整流电路的传递函数g v d 根据式 2 1 吼 而焉s r 瓣c 1 2 1 代入前面选择的电容和电感参数 该传递函数的幅频响应如图2 1 1 所示 图2 1 1 同步b u c k 整流电路幅频响应 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 首先 将式 2 1 0 转换成由零极点表示的形式 名f 笋l 2 1 1 l l 上 l l 蜴鳓 其中 五2 尝2 丽1 丽 2 3 2 觑 2 1 1 2 q o 层 而1 4 2 6 9 3 2 6 d b 眩1 3 前面已经讲到影响环路稳定性的变量只有g c s 和g v d s 接下来就根据g v d s 来设计系统的补偿器 目前业界主要采用的补偿方式是p i d 补偿 即是比例积分 微分补偿 采用补偿器 主要是为了使系统能实现以下的功能要求 1 当系统稳定工作时 环路能够使得系统输出电压稳定在参考电压周围 即是v o v r e f 2 当负载电流发生变化 或者系统设定发生改变影响到输出电压的时候 补偿器要能主动的根据系统的状态将系统调整到稳定的工作状态 3 当系统启动的时候 需要能够抑制输出电压的过冲过程 减少或者消除 过冲现象 同时能实现软启动的功能 减少系统启动时的电流变化率 为了满足这样一些对补偿器模块的要求 补偿器的设计必须满足一下要求 2 保证系统有足够的相位裕度以确保系统能稳定工作 3 选择合适的系统带宽以提高系统的响应速度 4 调整系统的响应曲线避免出现过冲现象 同时改进算法引进软启动模块 补偿器的设计方法可以分为直接设计和间接设计 直接设计指所有的设计均 在离散域完成 其优点是设计精确 间接设计指设计首先在连续域进行 然后采 用各种可能的方法变换到离散域 得到数字控制器的方程 这种方法的优点在于 可以充分利用各种成熟的连续域控制理论 设计简单 文献 3 7 1 认为 对于采样率 超过带宽3 0 倍的应用 可以采用间接设计 否则 间接设计将引入较大的误差 本文采用的设计方法是间接设计 传统的p i d 补偿的典型传递函数包含一个低频极点和2 个零点 其中还有一 个倒置的零点 其函数表达式如下所示 1 8 第三兰墨堡鍪主笙型墨竺塑垄蔓塑笪塞 一一 g c s q 2 1 4 其中g c 0 是补偿器的低频增益 和 1 分别为g c 的两个零点 o 是g c 的一个极点 首先 根据式 2 8 2 1 1 邢 半名际s p c l 当式 2 1 5 处于单位补偿 即是当g c s 1 时 式 2 1 5 改变为 驰m 爵s r c i 1 其中 低频增益为 v t u o y g g 2 1 5 2 1 6 2 仃 设计补偿器时 先确定系统的带宽f c 2 0 0 k h z 即是开关频率f s w 的1 1 0 图2 1 2 显示的是t s 的幅频响应曲线 图2 1 2t u s 的幅频响应曲线 由上图可以看出 该曲线在2 0 0 k h z 的时候的增益为 3 7 d b 因此补偿器在 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 2 0 0 k h z 时候的的增益应该要达到3 7 d b 同时 补偿器还需要改善系统的相位裕 度 因为t u s 在2 0 0 k h z 的时候相位已经接近1 8 0 确定补偿后的系统相位裕度 为6 0 首先可以得出补偿器的一个极点和一个零点为 厂 f 1 s i n 6 口 2 18 f叫7 正2 s i n6 0 z 厂 f 1 s i n 6 0 2 1 9 厶2 五nl s l n o 矿 l z 则补偿器低频增益g c 0 的表达式如下所示 呼 去质 旺2 在式 2 1 4 中 选择 的为系统带宽的1 1 0 用以改善系统的低频特性 曲线 将式 2 1 7 2 2 0 代入 2 1 4 得到的补偿器的幅频响应为图2 1 3 所 示 鬻黎鋈攀 27 i 图2 1 3 补偿器幅频响应 此时系统t s s 的幅频响应如图2 1 4 所示 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 图2 1 4 系统开环增益幅频响应 从系统开环幅频响应中可以看出 系统的相位裕度有5 5 经过p i d 补偿之 后 已经得到了很大的改观 可以稳定的运行 对于系统的闭环传递函数的幅频 响应如图2 1 5 所示 图2 1 5 系统闭环传递函数幅频响 由图2 1 5 中可以看出 系统闭环传递函数有接近1 0 0 的相位裕度 足够保 证系统能稳定在合理的工作状态 同时系统的过冲也有很大程度的抑制 由原来 3 7 d b 到现在不到5 d b 可以极大地减少启动时候的过冲问题 至此 补偿器在时域部分 即是s 域部分的建模已经完成 然后通过拉普拉 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 斯逆变换将补偿器映射到离散域 即是z 域 这样就可以实现p i d 的设计 从s 域映射到z 域有很多中方法 本文采用了后向欧拉法来将补偿器的传递 函数映射到z 域 得出 补偿器的传递函数为 d 胛 3 2 8 3 7 5 e n 一3 5 6 3 7 5 e n 1 2 8 2 5 e n 2 d n 1 2 2 1 由式 2 2 1 可以看出 最后占空比信号d n 的值不仅仅受到误差信号e n 的影响 同时也受到上个周期d n 的影响 传统的p i d 补偿器在应用于电源管理 方面的时候往往会在启动的时候因为响应速度过快而使得系统的电流变化率非 常高 给芯片带来很大的负担 同时也会造成过冲现象的发生 本文设计的p i d 芯片 在式 2 2 1 的基础之上 添加了软启动电路 在比例项前面 即是在e n 项前面添加了限幅电路 在电路启动的时候限制p i d 补偿器输出占空比信号的增 长速度 从而使得输出电压上升的速度得到控制 延长了系统的启动时间 在下 面的系统建模仿真中 可以看到系统的启动时间延长到了6 0 0 u s 降低了电流的 变化率 同时也抑制了系统启动时候的过冲问题 2 2 1 2 多模控制电压控制建模和仿真 根据前面的建模和分析 多模数字控制电源管理芯片的系统主要由以下几个 模块构成 1 基准b a n d g a p 用以产生参考电压v r e f 一般来说 输出电压需要等比 例于参考电压 本文的设计是要求v o v r e f 2 a d c 用来数字量化参考电压v r e f 和v 0 的差值信号供补偿器处理 a d c 的处理精度直接影响输出信号的精度 3 数字p i d 补偿器 根据a d c 提供的量化后的差值信号来确定系统的运 行状态 并提供合适的占空比信号给调制器 4 数字p w m p f m d s m 调制器 处理数字p i d 补偿器提供的占空比信 号 产生相应的占空比不同的脉冲信号来驱动同步b u c k 整流电路 5 同步b u c k 整流电路 产生输出电压信号提供给下级器件 以上5 个主要的模块构成了数字控制的电源管理芯片 根据参考文献 3 3 的 介绍来确定每个模块的具体参数 不合理的参数设定会使得d c d o 控制器的输出电压v o 会产生周期性的稳定 2 2 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 振荡 这种现象称为极限环 产生极限环现象的原因并不是由于p w m 信号的开 关特性 它和a d c 还有p w m 的精度 p i d 的设计都有很大的关系 首先设系统的a d c 的分辨率为n a d c 而p w m 的分辨率为n d 阳 m 则对于b u c k 整流电路来说 a d c 每改变1 个l s b 的时候输出电压变化的步长为v i n 2 n a d c 相 应的 由p w m 影响的输出电压变化的步长为v i n 2 n d p w m 图2 1 6 给出了当n d p w m 小 于n a d c 时系统稳定后的输出电压的变化情况 l 1 b i t a 厂 厂 f 硫a v 1 b i t o 严 7 i 2 b i t a 声 l 厶 r矿 d p w m d c i 度 a d c 精度 稳定状态 b i n b 佃 b i n b i n 图2 1 6p w m 分辨率低于a d c 分辨率时输出电压波形 由图2 1 6 可以看出 由于系统稳定之后总是趋向让a d c 输出的差值信号为 0 但是由于p w m 的精度低于a d c 的精度 这样的现象造成了当a d c 信号变 化1 b i t 的时候 输出电压由于p w m 精度较低的原因使得变化超过a d c 的l s b 于是造成了输出电压信号的周期性振荡 所以为了避免极限环现象 系统必须满 足的第一个条件是 r e s o l u t i o n d p m w r e s o l u t i o n a d c 2 2 2 即使上面的条件满足了 系统仍然可能由于p i d 补偿器没有积分常数时产生 极限环现象 在这种情况下 控制器会利用非0 的差值信号将输出电压v o u t 拉到 v r e f 但是当v o u t 被拉到v r e f 之后 此时的差值的信号虽然为0 但是微分常数 依然会作用把电压拉到 1 b j t 这样的情况会反复发生 于是 极限环现象还是无 法避免 这样的问题可以通过在p i d 控制器中设定合适的积分常数 这样在经过 开始的不稳定状态之后 积分器会逐渐将输出电压v o u t 拉到v r e f 于是 避免极 限环现象的第二个条件是 1 殿 0 2 2 3 其中心为p i d 控制器的积分常数 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 综上所述 为保证系统稳定运行 为系统内各模块制定的参数如下 1 基准b a n d g a p 采用v r m 和v r d 的标准 利用5 位v i d 码控制参考电 压的输出 输出参考电压范围为1 1 v 1 8 5 v 2 a d c 采用窗口式a d c 设计嗍 对参考电压周围的电压区间进行量化 输出1 2 位数字编码 精度为7 8 m y 3 数字p i d 补偿器 利用系统2 m h z 时钟 内置软启动电路 实现启动 时占空比信号稳步提高和稳定工作时快速的反应能力 4 数字p w m p f m d s m 调制器 因为p f m 和d s m 都是精度较低的调 制方式 主要应用于负载电流不大的情况 主要考虑p w m 的精度 本文设计的p w m 设定的实现精度为1 0 b i t 工作频率为2 m h z 5 同步b u c k 整流电路 根据上面几节的介绍 确定使用4 7 u f 的电容和 1 0 u h 的电感作为滤波电路 根据上面的参数设定 对系统做出的m a t l a b 建模如图2 仃所示 s i g n a lb u i l d e 图2 1 7 系统m a t l a b 建模 因为电源电压的小信号扰动在实际应用中非常微弱 故在建模时省略了这个 参数的影响 在b u c k 电路部分仅仅考虑了占空比信号d 和输出电流对系统的影 响 系统各模块的建模如图2 1 8 所示 2 4 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 c d e 图2 1 8 系统各模块建模 由 a 至 e 分别为 a b u c k 同步整流 b a d c c p f m d p i d 补偿器 e p w m 对系统m a t l a b 模型进行仿真的结果如图2 1 9 所示 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 嬲 图2 1 9 系统m a u a b 仿真波形 如上图所示 4 个信号由上至下分别是 a d c 输出误差信号 输出电压v 0 占空比信号 电感电流信号 图中 区域a 是p f m 工作区域 可以看到系统切 换没有问题 而且p f m 期间的输出纹波大约是p w m 期间输出纹波的3 倍 区域 b 显示的是负载突变的情况 可以看到输出电压几乎没有变化 系统稳定 2 3 小结 本章介绍了多模数字控制电源管理芯片的建模方法和建模步骤 本章中 控制环路的设计开始于连续域 控制的效果采用m a t l a b 分析幅频 响应来进行检验 然后将得到的连续域传递函数转换到离散域 本章所采用的拉 普拉斯逆变换是后向欧拉法 这种方法比较适合a s i c 硬件的实现 得到补偿器 第二章多模数字控制系统的建模和仿真 的差分方程后 就可以在s i m u l i n k 环境下对系统进行建模 其中功率级的模型也 已经在本章第 d 节给出了相关的介绍 各个电路模块的建模 根据实现架构的 不同 需要单独处理以使模型真实反映 数字设计前期的数学建模工作 在整个设计的环节中起到了非常重要的作 用 首先 由于数字设计的特性 其单元模块可以很容易用数学函数的方式表达 出来 其次 设计前的建模工作 可以帮助设计者在电路实现之前就可以根据建 模的仿真结果对系统的性能有一个初步的估计 第三 一个合理的精确的建模 可以帮助设计者了解系统的架构 从而在之后的设计中更好的克服系统的缺陷 充分发挥数字设计的优势 第三章高频高精度数字p w m 的设计 第三章高频高精度数字p w m 的设计 本章将介绍数字调制器中的数字p w m 模块的设计 基本的d c d c 数字控制 芯片通常由a d c p i d p w m 和基准电压源等组成 其中p w m 模块在整个控制芯 片中起到了非常重要的作用 根据前面几章的介绍 p w m 必须达到一定的精度才能避免极限环现象的产 生 同时由于便携产品的要求 b u c k 电路要求能够工作在一定的开关频率下 较 高的开关频率不仅可以有效的提高电源的转换效率 同时还能有效的降低外围滤 波电路中功率元件的尺寸 减少芯片的面积 目前国内相关的数字脉宽调制器 d p w m 设计的研究还处于起步阶段 可 以查到的研究成果大多很难同时保证高频 高精度的p w m 信号输出 本节主要 针对本文设计的数字电源管理模块对于p w m 模块的要求 设计了几种不同的 p w m 模块 其中采用混合型的d p w m 模块已经完成了流片验证和测试工作 3 1 数字p w m 简介 p w m 即是脉宽调制器 p u i s e w i d l hm o d u l a t o r 主要用于将p i d 补偿器产生的 占s 三l i 信号d 转换成为占空比符合d 的脉冲信号用来驱动同步b u c k 整流电路 根据式 2 1 所表示的 占空比信号到输出电压的传递函数为 嘞 圪而磊s 瓦p k j l 丽 3 1 则 v o s 嘞 吧而鬲s 丽r c 孤l 再 3 2 式 3 2 的阶跃响应如图3 1 所示 第三章高频高精度数字p w m 的设计 图3 1b u c i 整流电路阶跃响应 其中 v g 即输入电压设定为3 3 v 从图3 1 可以看出 电路最终稳定的输出 电压v 0 为v g x d 作者在完成本文的设计之前曾经在应用与低压大电流的电源 管理芯片上设计过d p w m 模块 根据v r m 9 0 的要求 系统要求1 1 v 一1 8 5 v 的供 电电压 输出电压的步长为2 5 m v 为满足设计的要求 需要d p w m 满足1 m h z 开关频率和1 1 b i t 的输出精度 这样