应用于降压型DC-DC变换器的电流模数字控制器的设计

摘要

近几年，智能手机、平板电脑等便携设备的市场规模迅速扩大。由于电子设备的性能优劣与电源的性能质量有着直接的关系，因此对电源管理模块的性能要求越来越高。电压单环控制调节模式具有滞后性，而采用电流模双环控制调节模式具有更快的响应速度和更高的稳态性能。同时，传统模拟RC电感电流检测技术由于无源RC元件的体积通常较大，难以集成在芯片上，且数字控制器无法通过模拟量实现控制，这给电流模数字控制策略在开关电源中的应用带来了挑战。
　　本文设计了一种可用于降压变换器的电流型双环数字控制方案，包含电感电流采样，及相应的固定关断时间控制环路，使得变换器可以实现更高的瞬态响应。本论文所采用的电感电流检测技术是基于DC-DC降压型变换器主拓扑所设计的，需要满足电感电流检测器中的时间常数大于变换器开关周期的条件，此方案的好处是电感电流检测器完全是数字控制，且不受主拓扑参数变化的影响。此外，外环电压控制回路中的补偿器是根据电流型降压变换器的传递函数而设计的，其输出端提供参考电流信号。紧接着固定关断时间控制模块对检测到的电感电流和参考电流进行比较处理，从而产生脉冲信号对变换器导通、关断进行控制，实现稳压输出的目的。为了使得本文所设计的系统可以顺利地进入稳定工作状态，在电路启动阶段加入软启动模块。同时在外环数字控制回路中嵌入一个数字锁频环，其目的是为了解决脉冲控制方案中开关频率在负载跳变时可能产生变化这一问题。最后，进行相应的simulink仿真和FPGA测试。
　　本文使用FPGA搭建所设计的电流模数字控制的DC-DC降压型变换器的验证平台。测试结果表明，变换器工作在额定状态直流输入电压5V、额定负载100mA时，所设计的电流模式下数字控制的变换器工作频率达到1MHz且系统稳定输出电压为1.80V，稳态误差为1.944％。负载发生（0mA-500mA）正负跳变时最大瞬态响应时间约为138μs。相比于电压模控制的降压变换器系统，具有更高的瞬态响应，且满足便携式电子产品的实际需要。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容和设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织结构

第二章 数字控制的DC-DC降压变换器的基本原理

2．1 DC-DC降压变换器的主拓扑

2．1．1 主拓扑中电感元件参数的选取

2．1．2 主拓扑中电容元件参数的选择

2．2 开关管的控制模式

2．2．1 脉冲宽度调制方式

2．2．2 脉冲频率调制方式

2．3 反馈控制模式

2．3．1 电压型控制模式

2．3．2 电流型控制模式

2．4 本章小结

第三章 电流模式数字控制型DC-DC变换器的设计

3．1 电流模检测方案的设计

3．1．1 不同电流模检测方案对比

3．1．2 本文电流模检测方案的设计

3．2 外环电压补偿网络的设计

3．2．1 外环电压回路传递函数分析

3．2．2 外环电压补偿网络设计

3．3 电流模检测方案的数字控制器设计

3．4 本章小结

第四章 基于simulink电流模数字控制DC-DC降压变换器系统验证

4．1 电感电流采样原理仿真验证

4．2 外环电压回路补偿网络仿真验证

4．3 电流模数字控制的DC-DC降压型变换器的simulink系统验证

4．3．1 DC-DC降压变换器主拓扑simulink模型

4．3．2 电感电流的数字检测模块simulink验证

4．3．3 外环路补偿网络的simulink模型

4．4 电流模数字控制的DC-DC降压变换器仿真分析

4．5 本章小结

第五章 基于FPGA的DC-DC降压型变换器系统测试及验证

5．1 电流模数字控制的DC-DC降压型变换器系统的稳态性能测试

5．2 电流模数字控制的DC-DC buck变换器系统的动态性能测试

5．3 本文所设计的DC-DC降压变换器系统测试结果对比分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文