CN104467426B - 一种数字dc‑dc开关电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字DC‑DC开关电源电路，目前的电源误差在建模过程中逐渐累积的结果，如果在设计的前期引入误差，这个误差就会随着设计的深入，逐渐的积累导致在输出电压时出现稳态误差等。本发明主要讲述在固定频率下工作的开关电源的离散时间模型,模型中的降压转换器是基于连续时间建模,闭环回路中均包括一个A/D转换器,一个脉冲宽度调节器,一个补偿器,本发明改变补偿器的设计而得到不同的电源的输出性能，缩短了设计周期，使电源具有通用性和可重复性的特点。而且，记忆体存储减小了电源的体积和重量。

Description

一种数字DC-DC开关电源电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种数字DC-DC开关电源的设计方法及电路。
背景技术
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型化和高效率的特点被广泛应用到几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源。
DC-DC开关电源和线性电源相比，开关电源具有很多优点：由于功率晶体管工作在开关状态，所以其功率损耗小，效率大大提高；另外采用铁氧体高频变压器，使电源的重量和体积都大大减少，成本更低等。一些专用电源芯片如TL494、UC3842的出现，也使开关电源的设计更为简单，同时性能可靠。
DC-DC开关电源的离散时间建模已经有很长的研究历史,首先从研究取样时间对信号的影响开始，由于脉冲宽度调节器在小信号模型和标准的模拟信号控制中已经讨论过。到研究离散信号模型对电路的控制,包括使用计算机辅助建模与仿真技术设计的各种模拟控制技术，基于离散时间模型和连续时间小信号开关电源已经出现,现在的研究热点集中于实现高频DC-DC电源的离散信号控制。即，直接从离散信号的buck传输函数设计离散时间的补偿器来实现输出的稳定，图1显示了离散时间控制的补偿器的闭环电路，包括buck-converter，A/D转换器，以及脉冲宽度调节器，本文的设计方法是直接从降压转换器的Z域模型出发，然后根据离散时间传输函数直接得出补偿器的离散时间传输函数，即，直接型数字设计。设计的结果符合现在电路的要求。
发明内容
本发明针对现有DC-DC电源设计技术的不足，提出了一种数字DC-DC开关电源的设计方法及电路。
一种数字DC-DC开关电源的设计方法，具体包括以下步骤，
步骤一：建立降压转换器模型，得出降压转换器的小信号传输函数Gvd(s)，然后直接经过s-z转换得出降压转换器的离散模型的转移函数，由于在z域中，判断传输函数的稳定与否是通过单位元内极点的位置确定的，所以在电路的设计过程中，我们考虑运用这条规则来判断最终的设计是否符合要求。
根据输入电压Vg和输出电压确定降压变压器的电感L和电容C，并且由降压转换器的固定结构得出它的在连续时间模型的传输函数为：
其中，
R为负载电阻，Resr为电感的附加电阻，s为s因数；
步骤二：通过s-z的映射即可得出降压转换器的离散时间传输函数，根据对输出电压的要求，如建立时间Tr，过冲量Mp，和阻尼系数ξ(一般设为0.7)，得出整个闭环***的二阶传输函数H(z)为：
zp为闭环***的极点，为闭环极点的共轭复数；
而整个环路中只有降压转换器与补偿器的传输函数(先忽略A/D和DPWM的影响)对***的传输函数有贡献，所以如图3在离散时间闭环***中，考虑到反馈调节的表达式：
步骤三:在离散时间闭环***中，反馈调节的表达式：
B为常数，G(z)为降压转换器的离散时间传输函数，D(z)为补偿器的离散时间传输函数，假设补偿器为PID型的，而PID的表达式为:
由于H和H(z)是对同一个闭环***的传输函数的不同表达形式。所以，为了使补偿后的闭环回路表现出H(z)的特性，就要保证H表达式的极点和H(z)的极点相同，由此得出补偿器的参数kp,ki,kd,即可求得补偿器的离散时间传输函数；通过这样的补偿器设计可以有效的实现对降压转换器的传输函数的补偿。
一种数字DC-DC开关电源电路，包括电源模块U1、电感、分压电阻、电容、运算放大器U2、数字补偿器U4、A/D转换模块U3、比较器U6和计数器U5；所述的电源模块型号为Si4724；
所述的电源模块U1的Sync脚与5V电源输出端相连，D1脚接1.8V电压，S1脚与电感L的一端连接，电感L的另一端与电容C的一端、分压电阻R1的一端连接并作为电源输出端口，电容C的另一端与电源模块S2脚、D2脚连接并接地，分压电阻R1的另一端与运算放大器U2的正向输入端连接；运算放大器U2的反向输入端接0.48V电压，输出端与A/D转换模块U3的输入端Vin连接，8位输出脚B1-B8与数字补偿器U4的8位输入引脚A1-A8连接，数字补偿器U4的8位输出引脚C1-C8与比较器U6的8位输入引脚F1-F8连接，计数器U5的8位输出引脚D1-D8与比较器U6的8位输入引脚E1-E8连接,计数器U5的U/D脚接时钟信号，比较器U6的Duty脚与电源模块U1的Vin脚连接，A/D转换模块U3的GND脚、计数器U5的GND脚、数字补偿器U4的GND脚和比较器U6的GND脚接地。
本发明的有益效果：本发明提出的离散时间开关电源设计在设计过程中也引入了一些误差，这些误差虽然不可以避免，但是可以降低，比如采用更精确的算法，采用不同的s-z转化算法，都能够有效地降低误差。采用离散时间设计的补偿器有更加简单的设计步骤。随着DC-DC开关电源的应用越来越广泛，对开关电源的指标要求也会越来越高，这将进一步促进开关电源的设计方法的改进，由于离散时间补偿器可以在记忆体中存储，这样就可以只改变补偿器的设计而得到不同的电源的输出性能，缩短了设计周期，使电源具有通用性和可重复性的特点。而且，记忆体存储减小了电源的体积和重量。
附图说明
图1数字电源闭环回路控制***方块图；
图2离散时间环路反馈***；
图3为考虑A/D,DPWM,以及延迟td＝0.5Ts的闭环传输函数响应；
图4为本发明的电路图。
具体实施方式
如图1、图2所示，在建立降压转换器模型后，得出降压转换器的小信号传输函数，然后直接经过s-z转换得出降压转换器的离散模型的转移函数，由于在z域中，判断传输函数的稳定与否是通过单位元内极点的位置确定的，所以在电路的设计过程中，我们考虑运用这条规则来判断最终的设计是否符合要求。
首先根据输入电压和输出电压确定降压变压器的电感和电容，并且由降压转换器的固定结构得出它的在连续时间模型的传输函数为：
其中，
通过s-z的映射即可得出离散时间传输函数。其次，我们根据对输出电压的要求，如建立时间Tr，过冲量Mp，和阻尼系数ξ(一般设为0.7)，得出整个闭环***的二阶传输函数为：
而整个环路中只有降压转换器与补偿器的传输函数(先忽略A/D和DPWM的影响)对***的传输函数有贡献，所以如图3在离散时间闭环***中，考虑到反馈调节的表达式：
B为常数，假设补偿器为PID型的，而PID的表达式为:
由于H和H(z)是对同一个闭环***的传输函数的不同表达形式。所以，为了使补偿后的闭环回路表现出H(z)的特性，就要保证H表达式的极点和H(z)的极点相同，由此得出补偿器的参数kp,ki,kd,即可求得补偿器的传输函数，通过这样的补偿器设计可以有效的实现对降压转换器的传输函数的补偿。
如图4所示，一种数字DC-DC开关电源电路，包括电源模块U1、电感、分压电阻、电容、运算放大器U2、数字补偿器U4、A/D转换模块U3、比较器U6和计数器U5；所述的电源模块型号为Si4724；
所述的电源模块U1的Sync脚与5V电源输出端相连，D1脚接1.8V电压，S1脚与电感L的一端连接，电感L的另一端与电容C的一端、分压电阻R1的一端连接并作为电源输出端口，电容C的另一端与电源模块S2脚、D2脚连接并接地，分压电阻R1的另一端与运算放大器U2的正向输入端连接；运算放大器U2的反向输入端接0.48V电压，输出端与A/D转换模块U3的输入端Vin连接，8位输出脚B1-B8与数字补偿器U4的8位输入引脚A1-A8连接，数字补偿器U4的8位输出引脚C1-C8与比较器U6的8位输入引脚F1-F8连接，计数器U5的8位输出引脚D1-D8与比较器U6的8位输入引脚E1-E8连接,计数器U5的U/D脚接时钟信号，比较器U6的Duty脚与电源模块U1的Vin脚连接，A/D转换模块U3的GND脚、计数器U5的GND脚、数字补偿器U4的GND脚和比较器U6的GND脚接地。
本发明的工作过程，首先电源模块的输出端口S1连接到电感L经过滤波整流之后，作为输出电压，在电感L之后连接分压电阻为运算放大器提供输入电压，这个电压和参考电压Vref一起在运算放大器中进行运算，运算放大器的输出端口连接到ADC的输入端口Vin，在ADC中进行模数转换之后，输出8位元信号B1-B8，连接到数字补偿器的8位元输入端口A-D,这个信号经过补偿器的运算之后，输出C1-C8，连接到比较器的F1-F8输入端口，与此同时，计数器的输出D1-D8也连接到比较器的E1-E8，两组输入信号在比较器中运算后，输出Duty信号，这个信号连接到电源转换模块的Vin，实现对降压转换模块的调节，实现电路的稳定输出。
现在利用这种方法设计一个此种类型的电源设L＝4.7μH,RL＝25mΩ,C＝10μF,Resr＝25mΩ,R＝1,Vg＝1.8V,Vref＝0.48,fs＝1/Ts＝1MHz,Vout＝1.0V,则buck的传输函数为：
设计要求为过冲为20％，建立时间为1e-4秒，这样求出ωn＝6.57e+4，进而求出目标极点为zp＝0.95+0.0448i和由于分母的阶数要达到四阶，我们需要另外两个极点，设两个额外的极点为α1和α2，这两个极点需要满足闭环函数的极点在单位圆内，取α1＝0.482和α2＝0.2，最后得出Kd＝25.6394488，Kp＝0.9878784，Ki＝0.6000901，进而得出PID补偿器为:
把这个补偿器放回到闭环回路得出的信号阶跃响应如图3设定上述闭环回路的参数为：电感L＝4.7μH,电感电阻RL＝25mΩ,电容C＝10μF,电容电阻Resr＝25mΩ,输出负载R＝1,输入电压Vg＝1.8V,参考电压Vref＝0.48V,工作频率fs＝1MHz,输出电压Vout＝1.2V,通过上述设计方法得出离散补偿器的传输函数为：
通过matlab仿真设计，验证了这个补偿器满足对电源设计的要求。
这种设计方法能够很好地满足对电源性能的要求，而连续时间模型设计的电源由于引入误差导致电源输出电压性能较差。原因有三方面：首先是连续时间建模过程中s-z的转化会带来误差，而离散时间模型可以避免这个误差，因为离散时间模型最终得出的结果就是所需要的补偿器，连续时间模型得出的设计还需要s-z转化才能实现。图3是两种模型得出的仿真结果，(灰色虚线为连续时间模型，黑色线条为离散时间模型)，从图中看出离散时间响应结果的电压过冲较小，这样能避免负载承受过高的电压，保护负载，增加电路的寿命。
其次是误差在建模过程中逐渐累积的结果，如果在设计的前期引入误差，这个误差就会随着设计的深入，逐渐的积累导致在输出电压时出现稳态误差等。
再次，算法本身的精确程度也会导致设计结果出现误差。
通过两种方法设计的闭回路性能指标如表1：
表1离散时间和连续时间模型的测试结果比较
本发明提出的离散时间开关电源设计在设计过程中也引入了一些误差，这些误差虽然不可以避免，但是可以降低，比如采用更精确的算法，采用不同的s-z转化算法，都能够有效地降低误差。采用离散时间设计的补偿器有更加简单的设计步骤。随着DC-DC开关电源的应用越来越广泛，对开关电源的指标要求也会越来越高，这将进一步促进开关电源的设计方法的改进，由于离散时间补偿器可以在记忆体中存储，这样就可以只改变补偿器的设计而得到不同的电源的输出性能，缩短了设计周期，使电源具有通用性和可重复性的特点。而且，记忆体存储减小了电源的体积和重量。

Claims (1)

1.一种数字DC-DC开关电源，包括电源模块U1、电感、分压电阻、电容、运算放大器U2、数字补偿器U4、A/D转换模块U3、比较器U6和计数器U5；所述的电源模块型号为Si4724；
其特征在于：所述的电源模块U1的Sync脚与5V电源输出端相连，D1脚接1.8V电压，S1脚与电感L的一端连接，电感L的另一端与电容C的一端、分压电阻R1的一端连接并作为电源输出端口，电容C的另一端与电源模块S2脚、D2脚连接并接地，分压电阻R1的另一端与运算放大器U2的正向输入端连接；运算放大器U2的反向输入端接0.48V电压，输出端与A/D转换模块U3的输入端Vin连接，8位输出脚B1-B8与数字补偿器U4的8位输入引脚A1-A8连接，数字补偿器U4的8位输出引脚C1-C8与比较器U6的8位输入引脚F1-F8连接，计数器U5的8位输出引脚D1-D8与比较器U6的8位输入引脚E1-E8连接,计数器U5的U/D脚接时钟信号，比较器U6的Duty脚与电源模块U1的Vin脚连接，A/D转换模块U3的GND脚、计数器U5的GND脚、数字补偿器U4的GND脚和比较器U6的GND脚接地；
其中数字补偿器U4的设计方法为：
步骤一：建立降压转换器模型，得出降压转换器的小信号传输函数Gvd(s)，然后直接经过s-z转换得出降压转换器的离散模型的转移函数，根据输入电压Vg和输出电压确定降压变压器的电感L和电容C，并且由降压转换器的固定结构得出它的在连续时间模型的传输函数为：
G v d ( s ) = V g s + R b CR e s r + R b s 2 + L + CRR e s r L C ( R + R e s r ) s + R b - - - ( 1 )
其中，
R为负载电阻，Resr为电感的附加电阻，s为s因数；
步骤二：通过s-z的映射即可得出降压转换器的离散时间传输函数，根据对输出电压的要求，如建立时间Tr，过冲量Mp，和阻尼系数ξ，得出整个闭环***的二阶传输函数H(z)为：
H ( z ) = ( 1 - z p ) ( 1 - z p ‾ ) ( z - z p ) ( z - z p ‾ ) - - - ( 3 )
zp为闭环***的极点，为闭环极点的共轭复数；
步骤三:在离散时间闭环***中，反馈调节的表达式：
H = G ( z ) D ( z ) 1 + G ( z ) D ( z ) B - - - ( 4 )
B为常数，G(z)为降压转换器的离散时间传输函数，D(z)为补偿器的离散时间传输函数，假设补偿器为PID型的，而PID的表达式为:
D ( z ) = ( k p + k i + k d ) z 2 - ( k p + 2 k d ) z + k d z ( z - 1 ) - - - ( 5 )
由于H和H(z)是对同一个闭环***的传输函数的不同表达形式；所以，为了使补偿后的闭环回路表现出H(z)的特性，就要保证H表达式的极点和H(z)的极点相同，由此得出补偿器的参数kp,ki,kd,即可求得补偿器的离散时间传输函数。
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