CN103023321B

CN103023321B - 一种采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器

Info

Publication number: CN103023321B
Application number: CN201210500397.1A
Authority: CN
Inventors: 徐冠南; 贾晨; 王自强; 郑旭强; 张春; 姜汉钧; 陈虹; 王志华
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN103023321A

Abstract

一种采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器，包括：Buck型转换模块，具有控制端、电压V_out输出端和反馈电压V_fed输出端；及，数字滑模变结构控制器，其第一输入端REF接一参考电压，第二输入端FED、输出端OUT分别连接所述转换模块的反馈电压V_fed输出端和控制端。该控制器将所述参考电压和所述转换模块提供的反馈电压分别转换成参考时钟信号和反馈时钟信号,根据该两个电压信号、两个时钟信号分析测定所述转换模块的运行状态信号，进而采用数字滑模变结构控制方法来实现所述Buck转换模块输出电压的稳定。本Buck型开关电源监测管理能力强，转换效率高，具有负载瞬态响应迅速以及鲁棒性好的优点。

Description

一种采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器

技术领域

本发明属于电力电子应用技术领域，具体是一种采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器，用于要求稳定性强、对负载瞬态变化响应迅速的供电系统中。

背景技术

当今社会人们极大的享受着信息技术带来的便利，在便携式电子产品、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）照明、汽车电子等信息技术领域都需要稳定的直流电源。直流稳压电源主要分为线性稳压器、电荷泵和开关电源转换器。线性稳压器，如低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO），提供的负载电流较小，且转换效率也较低；电荷泵提供的负载电流也一般；开关电源具有带负载能力强，转换效率高的特点，是一种高效节能电源。

开关电源既可以采用线性控制方法来实现，也可以采用非线性控制方法来实现。传统的比例-微分-积分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制算法作为一种典型的线性控制方法，由于结构简单、操作方便、成本低等优点得到了广泛的应用，但是，其对于负载电流的变化、动态响应能力有限，且控制精度和抗干扰能力一般。

滑模变结构控制算法由于其对于外界的干扰（如负载电流变化，输入电压变化等）及内部参数的摄动[如降压变换器（Buck）转换电路的电感和电容随着使用时间的增加，其电特性值发生改变]具有很强的鲁棒性，其对于负载电流变化及电源内部参数变化具有快速的响应能力。因此，采用滑模变结构控制的Buck型开关电源能具有瞬态响应速度快和鲁棒性强的优点，尤其适用于要求负载暂态响应迅速的电源系统中。

为了在不同负载电流下，Buck型开关电源变换器具有很快的响应速度，需要对电路的工作状态有较强的监测能力。如果采用模拟控制的方法来实现此功能，需要复杂的监测电路。监测电路复杂程度的增加，需要付出的功耗、面积等代价也随之增大。而采用数字控制方法来实现系统的监测具有成本低的优点，只需要增加少量的逻辑和时序电路即可实现监测功能，并且可以根据应用的需求，灵活地对电源进行配置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器及数字滑模变结构控制器，其采用数字控制方法来实现滑模变结构控制器，并将其用于Buck变换电路，从而提供带负载能力强、负载瞬态响应快、鲁棒性好、监测管理能力强、转换效率高的直流稳压电源。

本发明提供的采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器，包括：

一Buck型转换模块，具有控制端、供电电压V_out输出端和反馈电压V_fed输出端；以及，

一数字滑模变结构控制器，其第一输入端REF接参考电压V_ref，第二输入端FED、输出端OUT分别连接所述转换模块的反馈电压V_fed输出端和控制端；用于将所述参考电压V_ref和所述转换模块提供的反馈电压V_fed分别转换成参考时钟信号f_ref和反馈时钟信号f_fed , 根据所述参考电压V_ref、反馈电压V_fed、参考时钟信号f_ref和反馈时钟信号f_fed分析测定所述转换模块的运行状态信号，进而通过数字滑模变结构控制程序输出相应的控制信号u对所述转换模块进行控制。

其中，所述数字滑模变结构控制器主要包括第一电压—频率转换模块、第二电压-频率转换模块、频率求差模块、电压比较模块、状态监测模块和状态控制模块等。

第一电压-频率转换模块的输入端连接所述第一输入端REF，用于转换所述参考电压V_ref为参考时钟信号f_ref；第二电压-频率转换模块的输入端连接所述第二输入端FED，用于将所述反馈电压V_fed转换为反馈时钟信号f_fed；电压—频率转换电路模块，需要实现线性度较好的电压与频率对应关系。

频率求差模块的两输入端分别连接所述第一、二电压-频率转换模块的输出端，用于对输入的所述参考时钟信号f_ref和所述反馈时钟信号f_fed求差输出两者的频率差的绝对值fsub。

电压比较模块的两输入端分别连接所述第一输入端REF和第二输入端FED，参考时钟端接所述第一电压-频率转换模块输出的参考时钟信号f_ref，以f_ref作为参考时钟，对V_ref和V_fed进行比较，输出为该两输入电压信号的比较结果信号compare；当V_ref>V_fed时，输出信号compare为1；V_ref<V_fed时，输出信号compare为0，输出信号compare提供给状态控制模块。

状态监测模块的一输入端接所述第二输入端FED，另一输入端接所述第一电压-频率转换模块输出的参考时钟信号f_ref，用于根据输入的所述参考时钟信号f_ref、所述反馈电压V_fed分析测定、提供所述转换模块的多个运行状态信号high、low、increase、decrease、error、lock。状态监测模块监测反馈时钟f_fed相对于参考时钟f_ref的频率是高还是低；反馈时钟f_fed的频率自身是正在变快还是正在变慢。反馈时钟f_fed和参考时钟f_ref频率的大小关系分为以下三段：

第一段是两者之间的频率差极大。当f_fed远大于f_ref时，信号high=1有效，当f_fed远小于f_ref时，信号low=1有效；

第二段是两者之间的频率差较小。当f_fed大于f_ref时，信号error=0；当f_fed小于f_ref时，信号error=1；

第三段是两者频率基本相等，此时信号lock=1有效。当f_fed正在变快时，信号increase=1有效；当f_fed正在变慢时，信号decrease=1有效。

状态控制模块的各输入端分别与所述频率求差模块的输出端、所述电压比较模块的输出端、所述状态监测模块的多个输出端以及所述第一电压-频率转换模块的输出端连接，其存储有数字滑模变结构控制程序；状态控制模块根据所述状态监测模块、频率求差模块、电压比较模块和第一电压-频率转换模块提供的多个输出信号（即high、low、increase、decrease、error、lock、f_sub、compare、f_ref），结合数字滑模变结构控制算法，输出相应的控制信号u对Buck型降压电路进行控制。

本发明Buck型降压电路采用开关控制的方式，因此，所述状态控制模块采用如下控制规则获得控制信号u,

其中S是状态控制模块实现的滑模变算法的切换函数，

，该式中，τ为电路系统从所述第一输入端REF到所述输出端OUT的延时，f_ref为所述参考时钟信号f_ref的频率，f_fed为所述反馈时钟信号f_fed的频率。

由于参考时钟频率f_ref随时间变化保持不变，因此其对时间的微分为0。因此，所述滑模变算法的切换函数方程转化为。将用近似，滑模变算法的切换函数S>0或S<0可以转化为或，其中是固定的频率改变，从而所述状态控制模块根据与的大小关系,并结合状态监测模块、频率求差模块、电压比较模块和电压-频率转换模块提供的各信号选择相应的控制信号u，从而实现控制输出反馈电压V_fed跟踪并使其等于参考电压V_ref。

所述控制信号u输入到Buck型降压电路，控制功率MOS管进行开关切换使得输出反馈电压V_fed跟踪参考电压V_ref，实现Buck电路稳定的输出电压V_out。

用于上述Buck型开关电源转换器的一种数字滑模变结构控制器，包括：

第一输入端REF，接入参考电压V_ref；第二输入端FED，接来自Buck型转换模块的反馈电压V_fed；一输出端，连接所述Buck型转换模块的控制端；

第一电压-频率转换模块，输入端连接所述第一输入端REF，用于转换所述参考电压V_ref为参考时钟信号f_ref；

第二电压-频率转换模块，输入端连接所述第二输入端FED，用于将所述反馈电压V_fed转换为反馈时钟信号f_fed；

频率求差模块，其两输入端分别连接所述第一、二电压-频率转换模块的输出端，用于对输入的所述参考时钟信号f_ref和所述反馈时钟信号f_fed求差输出两者的频率差的绝对值fsub；

电压比较模块，其两输入端分别连接所述第一输入端REF和第二输入端FED，参考时钟端接所述第一电压-频率转换模块输出的参考时钟信号f_ref，用于对输入的所述参考电压V_ref和所述反馈电压V_fed比较，输出比较结果信号compare；

状态监测模块，一输入端接所述第二输入端FED，另一输入端接所述第一电压-频率转换模块输出的参考时钟信号f_ref，用于根据输入的所述参考时钟信号f_ref、所述反馈电压V_fed分析测定、提供所述转换模块的运行状态信号high、low、increase、decrease、error、lock；及

状态控制模块，其各输入端分别与所述频率求差模块的输出端、所述电压比较模块的输出端、所述状态监测模块的多个输出端以及所述第一电压-频率转换模块的输出端连接，根据它们提供的多个输出信号运行其存储的数字滑模变结构控制程序输出相应的控制信号u对所述转换模块进行控制。

本发明采用的数字滑模变结构控制器将系统的稳定分为趋近控制、瞬态控制和稳态控制三个控制过程。当Buck型转换模块输出的反馈电压与参考电压的差别较大时，采用趋近控制方法；当Buck型转换模块输出的反馈电压与参考电压的差值较小时，采用瞬态控制过程；当Buck型转换模块输出的反馈电压与参考电压的差值很小时，采用稳态控制方法，此时整个系统处于是锁定状态。趋近控制使系统具有快速的动态响应能力，从而使电源输出快速接近目标值；瞬态控制过程能使系统具有快速的负载动态响应能力，并使系统能够快速进行稳定；稳态控制使系统的鲁棒性很强，并具有很小的电压纹波。通过结合趋近控制、瞬态控制和稳态控制过程，使Buck转换器具有快速的动态响应能力、很强的稳定性和较小的输出电压纹波。

相比采用模拟控制方法的Buck转换器，采用数字控制的滑模变结构控制具有监测能力强，稳定性好的优点。与采用PID控制的Buck转换器相比，采用数字滑模变结构控制具有系统鲁棒性好、负载暂态响应迅速的优点。

附图说明

图1是采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器框图；

图2是图1中的Buck型转换模块的电路图；

图3是滑模变结构控制的状态运动轨迹；

图4是数字滑模变结构控制的流程图；

图5是负载变化时，Buck型开关电源转换器瞬态响应图。

具体实施方式

下面结合附图，对数字滑模变结构控制实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参照图1，采用数字滑模变结构控制器的Buck型开关电源转换器包括数Buck型转换模块2和字滑模变结构控制器1两部分。

Buck型转换模块2如常规电路，具有控制端、供电电压V_out输出端和反馈电压V_fed输出端等。

数字滑模变结构控制器1包括第一电压—频率转换模块11、第二电压-频率转换模块12、频率求差模块13、电压比较模块14、状态监测模块15、状态控制模块16；进一步包括第一输入端REF，接入参考电压V_ref；第二输入端FED，接来自Buck型转换模块的反馈电压V_fed；一输出端OUT，连接所述Buck型转换模块的控制端。

电压-频率转换模块11的输入端连接所述第一输入端REF，用于转换所述参考电压V_ref为参考时钟信号f_ref。第二电压-频率转换模块12的输入端连接所述第二输入端FED，将来自Buck型转换模块2的反馈电压V_fed转换为反馈时钟信号f_fed。

频率求差模块13的两输入端分别连接所述第一、二电压-频率转换模块11、12的输出端，用于对输入的所述参考时钟信号f_ref和所述反馈时钟信号f_fed频率求差输出两者的频率差的绝对值fsub，提供给状态控制模块16。

电压比较模块14的两输入端分别连接所述第一输入端REF和第二输入端FED，参考时钟端接所述第一电压-频率转换模块11输出的参考时钟信号f_ref，以f_ref作为参考时钟，对V_ref和V_fed进行比较，输出为该两输入电压信号的比较结果信号compare。

状态监测模块15一输入端接所述第二输入端FED，另一输入端接所述第一电压-频率转换模块11输出的参考时钟信号f_ref。状态监测模块15实现对整个系统状态的监测，得到反映系统状态的high、low、increase、decrease、error和lock信号。当f_fed远大于f_ref时，信号high=1有效，当f_fed远小于f_ref时，信号low=1有效。当f_fed和f_ref两者之间的频率差较小，若f_fed大于f_ref时，信号error=0；当f_fed小于f_ref时，信号error=1。当f_fed和f_ref频率基本相等，此时信号lock=1有效。

状态控制模块16接收到状态监测模块15、频率求差模块13、电压比较模块14以及第一电压-频率转换模块11所提供的信号（即high、low、increase、decrease、error、lock、f_sub、compare、f_ref），并根据数字滑模变控制算法产生相应的控制信号u去控制Buck型变换器2。

为了采用数字化的方法来实现滑模变结构控制，选择时钟信号作为滑模变结构控制理论的状态变量。所述状态控制模块的切换函数为（式中，τ为电路系统从所述第一输入端REF到所述输出端OUT的延时），由于参考时钟f_ref频率随时间变化保持不变，因此其对时间的微分为0；因此，所述状态控制模块的切换函数方程转化为；将用近似，切换函数转化为，其中是固定的频率改变，切换函数S>0或S<0可以转化为或。和的比较可以通过计数器来实现。作为时钟信号，是计数周期的数值。可以通过D触发器来实现，将f_ref作为D触发器的时钟信号，f_fed作为数据信号，触发器的输出即为。根据error信号为1或0，increase和decrease的值可以获得及去掉绝对值后的正负特征。将切换函数经过转换后，数字滑模变结构控制的规则如下所示：

（1）时，，即error信号为0，increase信号为1，使控制信号u为1。

（2）时，，即error信号为0，decrease信号为1且，计数器的值为0，使控制信号u为0。

（3）时，，即error信号为0，decrease信号为1，，计数器的值为1，使控制信号u为1。

（4）时，，即error信号为1，decrease信号为0，使控制信号u为0。

（5）时，，即error信号为1，increase信号为1且，计数器的值为0，使控制信号u为1。

（6）时，，即error信号为1，increase信号为1且，计数器的值为1，使控制信号u为0。

图2是图1中Buck型转换模块2的电路图。Buck型转换模块2由功率PMOS开关管S1、功率NMOS开关管S2、电感L、电容C、可调节的电阻器R1和固定电阻R2等构成。Buck型开关电源的输入V_in的依次串接功率PMOS开关管S1、电感L及电容C后到地，功率PMOS开关管S1和电感L的公共端与地之间连接NMOS开关管S2，功率PMOS开关管S1和功率NMOS开关管S2的栅极连接作为其控制端，电感L和电容C的公共端为供电电压V_out输出端，该输出端与地之间串联可调节的电阻R1和电阻R2，电阻R1和R2的公共端为反馈电压V_fed输出端。取自反馈电压V_fed输出端的反馈电压V_fed用来与参考电压V_ref进行比较，经过滑模变结构控制器的处理获得周期控制信号u，当所述控制信号u为1时，功率PMOS管S1断开，功率NMOS管S2闭合，使Buck的输出反馈电压V_fed减小，同时Buck变换器的输出V_out减小；当所述控制信号u为0时，功率PMOS管S1闭合，功率NMOS管S2断开，使Buck的输出反馈电压V_fed增大，同时Buck变换器的输出V_out增大。最终使整个系统的输出电压V_fed等于参考电压V_ref，以达到控制的目的。V_out是Buck电路的输出，即给负载供电的电源，通过调节可调电阻R1的值，从而改变R1和R2的电阻比值，进而获得可调节的输出电源V_out。在滑模变结构控制作用下，整个系统的状态运动轨迹如图3所示。

图3是系统状态的相轨迹图。A点是系统的任意起始点，在上述数字滑模变结构控制规则(1)和规则(4)的作用下使系统快速地运动到切换线S=0附近，如图中B点，此过程为趋近控制。当运动到B点时，根据上述数字滑模变结构控制规则(2)、(3)、(5)和(6)在切换线S=0附近做小幅度、高频率的切换运动，最终运动到点C，此过程为瞬态控制。到达C点后，系统进入滑模变结构控制的稳定状态，系统的状态轨迹将在虚线框内，围绕坐标原点运动。此时系统的鲁棒性很强，对于较大和较快的负载变化，系统仍在虚线框内围绕坐标原点运动，此过程为稳态控制。

图4为采用数字滑模变结构控制的Buck型转换器的控制流程。所述反馈电压V_fed在初始时刻值为0，其与所述参考电压V_ref的值相差较大，系统进入趋近控制过程。使控制信号u为1及所述Buck变换器导通，从而逐步提高所述反馈电压V_fed。由于控制信号u为1会保持较长一段时间，从而使所述反馈电压V_fed大于所述参考电压V_ref，为了使控制过程迅速，设置一个固定电压V1等于，从而使时能够使所述反馈电压V_fed与所述参考电压V_ref迅速接近，实现快速调整反馈电压V_fed的目的。当时，即所述反馈电压V_fed与所述参考电压V_ref的差值大于V1时，也即，high信号有效为1，使控制信号为0，关闭所述Buck型变换器，从而使V_fed减小。当时，也即，即所述反馈电压V_fed与所述参考电压V_ref的差值小于V1时，low状态信号有效为1，使控制信号为1，开启所述Buck变换器，从而使所述反馈电压V_fed迅速增加，实现快速接近所述参考电压V_ref的目的。

所述反馈电压V_fed与所述参考电压V_ref的差值小于固定电压V1，如时。对系统进行瞬态控制。滑模变结构控制的切换函数为，为了避免采用高精度的ADC以获得高精度的，采用电压—频率转换电路将电压信号转换成频率信号，从而滑模变结构控制模块的切换函数转换为。进而滑模变结构控制的切换函数S>0或S<0可以转化为或，其中是固定的频率改变。和的比较可以通过计数器来实现。作为时钟信号，是计数周期的数值。可以通过D触发器来实现，将f_ref作为D触发器的时钟输信号，f_fed作为数据信号，触发器的输出即为。error信号为1表示。Increase信号为1表示f正增大，即大于0，increase信号为0表示f正在减小，即小于0。根据error和increase信号的值可以获得及去掉绝对值符号后的正负特性，从而进行相应的控制，从而使V_fed接近参考电压V_ref。由于滑模变结构控制的抖振特性，使得所述反馈电压V_fed与所述参考电压V_ref之间有一个较小的差值V2。当通过设计使得时，则V2的值约为。当所述反馈电压V_fed与参考电压V_ref之间的差值大于V2(即)及小于V1（即）时，系统处在瞬态控制过程。

当所述反馈电压V_fed与所述参考电压V_ref之的差值小于V2时，即满足，其中，系统进入滑模变结构控制的稳态控制过程，此时控制环路处于锁定状态，lock信号为1。滑模变结构控制的切换函数可转化为，此时只需要判断所述V_fed与所述V_ref的大小，从而选择相应的控制信号。当所述反馈电压V_fed小于所述参考电压V_ref时，使控制信号为1；当所述反馈电压V_fed大于所述参考电压V_ref时，使控制信号为0。为了实现精细化的控制，进一步缩小所述反馈电压V_fed与所述参考电压V_ref之间的差值，采用高精度的比较器来实现此目标。

当负载在0.1us之内由空载跳到1.195A，再由1.195A跳变到148.8mV时跳变时，系统输出电压的波形如图5所示，由图可知系统的负载变化时的瞬态响应非常迅速，鲁棒性很强且纹波也很小，保持在5mV以内。

本发明涉及到Buck开关电源转换器系统的数字滑模变结构控制方法。整个系统的控制分为趋近控制、瞬态控制和稳态控制三个控制过程。当输出的反馈电压与参考电压的差值大于V1时，采用趋近控制方法；当输出的反馈电压与参考电压的小于V1而大于V2时，采用瞬态控制过程；当输出的反馈电压与参考电压的差值小于V2时，采用稳态控制方法。趋近控制和瞬态控制过程能使系统具有快速的负载动态响应能力，并快速稳定，稳态控制使系统的鲁棒性很强，并具有很小的电压纹波。通过结合趋近控制、瞬态控制和稳态控制过程，使Buck转换器具有快速的动态响应能力、很强的稳定性和较小的输出电压纹波的特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器，其特征在于包括：

一数字滑模变结构控制器，其第一输入端REF接参考电压V_ref，第二输入端FED、输出端OUT分别连接所述Buck型转换模块的反馈电压V_fed输出端和控制端；用于将所述参考电压V_ref和所述Buck型转换模块提供的反馈电压V_fed分别转换成参考时钟信号f_ref和反馈时钟信号f_fed , 根据所述参考电压V_ref、反馈电压V_fed、参考时钟信号f_ref和反馈时钟信号f_fed分析测定所述Buck型转换模块的运行状态信号，进而通过数字滑模变结构控制程序输出相应的控制信号u对所述Buck型转换模块进行控制；

其中，所述数字滑模变结构控制器包含：

状态监测模块，一输入端接所述第二输入端FED，另一输入端接所述第一电压-频率转换模块输出的参考时钟信号f_ref，用于根据输入的所述参考时钟信号f_ref、所述反馈电压V_fed分析测定、提供所述Buck型转换模块的运行状态信号high、low、increase、decrease、error、lock；和

状态控制模块，其各输入端分别与所述频率求差模块的输出端、所述电压比较模块的输出端、所述状态监测模块的多个输出端以及所述第一电压-频率转换模块的输出端连接，根据它们提供的多个输出信号运行其存储的数字滑模变结构控制程序输出相应的控制信号u对所述Buck型转换模块进行控制。

2.如权利要求1所述的开关电源转换器，其特征在于：所述状态控制模块采用如下控制规则获得控制信号u ,

其中，S是该状态控制模块实现的滑模变算法的切换函数，

，该式中，τ为电路系统从所述第一输入端REF到所述输出端OUT的延时。

3.如权利要求1或2所述的开关电源转换器，其特征在于：所述频率求差模块采用D触发器，该D触发器的D端接所述反馈时钟信号f_fed，时钟输入端接所述参考时钟信号f_ref。

4.用于Buck型开关电源转换器的一种数字滑模变结构控制器，其特征在于包括：

第一输入端REF，接入参考电压V_ref；第二输入端FED，接来自Buck型转换模块的反馈电压V_fed；一输出端OUT，连接所述Buck型转换模块的控制端；

状态监测模块，一输入端接所述第二输入端FED，另一输入端接所述第一电压-频率转换模块输出的参考时钟信号f_ref，用于根据输入的所述参考时钟信号f_ref、所述反馈电压V_fed分析测定、提供所述Buck型转换模块的运行状态信号high、low、increase、decrease、error、lock；及

5.如权利要求4所述的数字滑模变结构控制器，其特征在于：所述状态控制模块采用如下控制规则获得控制信号u ,

其中，S是该状态控制模块实现的滑模变算法的切换函数，

6、如权利要求4或5所述的数字滑模变结构控制器，其特征在于：所述频率求差模块采用D触发器，该D触发器的D端接所述反馈时钟信号f_fed，时钟输入端接所述参考时钟信号f_ref。