基于δ算子的高频数字DC-DC变换器控制律研究

The digital loop feedback control methods for DC-DC converters are key technologies of digitally controlled switching DC-DC regulator. With the development and maturation of integrated digital circuit and inductor-on-chip manufacturing technologies, the switching frequency of DC-DC converters is gradually moved to high-frequency range. In this project, for three kinds of basic DC-DC converters topology structures, the digital loop feedback control methods of high-frequency digitally controlled DC-DC converters will be researched based on the delta-operator controlling theory. Firstly the delta-operator domain models will be constructed for power stage of DC-DC converters, then the delta-operator control law is proposed, and for every controlling parameter in the control low its influences on the transient and stable features of DC-DC converters are analyzed. The research objective is focused on the following subjects: for given features and performances requirements of DC-DC converters, the optimized delta-operator control law which is easy to be implemented by hardware is proposed by combing the delta-operator controlling theory and DC-DC converters system, and the whole high-frequency digitally controlled DC-DC converters will be verified by simulation, prototype chip development and hardware test. This research results will establish the theory basis for developing high-frequency and high-performance digitally controlled switching DC-DC regulator products.

DC-DC变换器的数字环路反馈控制方法是数字DC-DC开关稳压电源的关键技术。随着数字集成电路和片上电感集成技术的日臻成熟，DC-DC变换器的开关频率逐渐向高频领域过渡。本项目将针对数字DC-DC变换器的三种基本拓扑结构，以δ算子控制理论为基础，研究基于δ算子的高频数字DC-DC变换器的数字环路反馈控制方法。拟建立DC-DC变换器功率级δ域模型，提出δ算子控制律，并分析控制律中各个控制参数对变换器系统的瞬态和稳态性能的影响。研究目标是以满足变换器系统的性能指标为前提，将δ算子控制理论与DC-DC变换器系统相结合，提出易于硬件实现的基于δ算子的优化数字控制方法，完成整个高频数字DC-DC变换器系统的仿真、原型芯片研制和硬件测试验证。本项目的研究成果将为研发高频高性能数字开关稳压电源产品奠定理论基础。

提高开关频率有利于提高数字控制开关稳压电源的瞬态响应特性以及实现电源模块的小型化、轻便化以及高能效。对于数字控制高频开关稳压电源，要求其数字控制芯片具有控制精度高、数据处理速度快、可靠性高、低功耗等特点，为此本项目重点研究了数字控制器的控制策略和控制算法以及数字控制芯片的其它关键电路模块。.提出了基于δ算子的数字控制器设计方法，解决了目前基于z算子设计的数字电源在高开关频率时稳定性和控制精度变差以及有限字长影响变大的问题。提出了基于输出纹波控制的邻周期采样（ACS）控制策略及其相应的控制算法，缓解了硬件处理速度与电源瞬态响应特性之间的矛盾，有利于提高数字电源的开关频率和性价比。提出了基于ACS控制策略的数字V2双环控制方法以及数字-比例微分（D-PD）控制算法，进一步提高了高频数字电源的瞬态响应速度。本项目提出的基于δ算子的传递函数离散化方法以及数字环路反馈控制算法，为研发数字控制高频开关稳压电源开辟了新思路和新方法，也可应用于其它高速采样数字信号处理以及高速数字反馈控制领域。.本项目研究和设计实现了数字控制芯片的其它关键电路模块，包括：1）一款基准电压可调的窗口式差分延迟线ADC，用于实现对输出电压的采样和数字化；2）三款不同结构的12-bit分辨率、1 MS/s 采样率SAR-ADC芯片，用于实现对电感电流的采样和数字化；3）三款不同结构的DPWM电路，用于实现数字占空比到模拟占空比的转换。这些电路模块具有电路结构简单、转换精度高、功耗和面积小以及易于集成的特点，可集成在数字控制芯片内。.基于以上创新技术，采用先进的商用CMOS工艺，设计和实现了数字控制开关稳压电源的控制芯片，并完成了采用该控制芯片的高频数字电源整体系统的测试验证。本项目研究和开发的数字控制高频开关稳压电源具有设计灵活、控制精度高、瞬态响应速度快、硬件资源开销小等特点，有利于实现电源模块的小型化、轻便化以及高能效，有助于提高数字电源产品的性价比和市场竞争力。