CN104638899A - 一种基于积分分离结构的快速启动数字电源 - Google Patents

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吴建辉
邹萌
徐力
钱文明
孟楠
陈超
李红
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Abstract

本发明公开了一种基于积分分离结构的快速启动数字电源，包括功率级单元、模数转换器单元、判决单元、补偿控制单元和数字脉宽调制单元，判决单元包括绝对值运算模块、阈值比较模块和逻辑选择模块，补偿控制单元包括PID控制器和PD控制器；数字电源启动过程，模数转换器单元将基准电压与功率级输出电压之差转换成数字量，判决单元中设定阈值，当数字量绝对值大于阈值电压时，数字量进入PD控制器，当数字量绝对值小于阈值电压时，数字量进入PID控制器，数字脉宽调制单元将相应控制器输出的占空比值转换成占空比波形控制功率级的导通与关断，经过两种控制器调节，功率级输出电压迅速调整到基准电压，从而实现数字电源的快速启动。

Description

一种基于积分分离结构的快速启动数字电源
技术领域
本发明涉及开关电源领域中的数字电源，尤其涉及一种基于积分分离结构的快速启动数字电源。
背景技术
随着电子信息产业的飞速发展，数字电源系统作为信息系统的基础设备，其性能的优劣直接影响到整个信息系统，数字电源具有高可靠性、高集成度、设计灵活、性能可优化等特点，在开关电源领域中性能高于模拟开关电源，并在电子设备供电系统得到广泛应用，但是数字电源中存在数据的采样、量化、数据处理等步骤，造成环路时延，影响数字电源的稳定性和响应速度。数字电源中常用的补偿控制方法是经典PID控制，经典PID控制是最为常用的控制方式，其具有直观、实现简单、鲁棒性能好等一系列优点，在控制领域得到广泛应用，但是PID控制中积分环节的目的主要是消除静差，提高精度，在电源的启动时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分累积，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产中是绝对不允许的。如果数字电源启动的过程中启动时间和超调量比较大，未能满足数字电源的高速启动，则不能应用在需要快速响应的供电系统中。
发明内容
发明目的：为了减小数字电源启动过程中的启动时间和超调量，满足数字电源启动速度的提高，本发明提供了一种基于积分分离结构的快速启动数字电源，在经典PID控制的基础上增加PD控制以及判决单元，通过判决单元判断数字电源输出值与基准值偏差较大时，采用PD控制，避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应，当输出值与基准值偏差较小时，采用PID控制，以保证系统的控制精度，这样使数字电源的启动加快。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于积分分离结构的快速启动数字电源，包括功率级单元、模数转换器单元、判决单元、补偿控制单元和数字脉宽调制单元，判决单元包括绝对值运算模块、阈值比较模块和逻辑选择模块，补偿控制单元包括PID控制器和PD控制器；功率级单元的输出电压Vout和基准电压Vref做差后得到偏差信号e(t)，偏差信号e(t)经过模数转换器单元得到数字量e(k)，判决单元对数字量e(k)取绝对值后进行阈值比较：若大于阈值，则将数字量e(k)输入PD控制器；若小于等于阈值，则将数字量e(k)输入PID控制器；补偿控制单元对数字量e(k)进行调节，实现对数字电源的延时补偿，输出占空比值d(k)；数字脉宽调制单元将占空比值d(k)转换成占空比波形信号d(t)，并将占空比波形信号d(t)反馈给功率级单元的开关管控制端，控制开关管的导通与关断：当占空比波形信号d(t)为高电平时，开关管导通，输入电压Vin对电容C充电，输出电压Vout增加；当占空比波形信号d(t)为低电平时，开关管关断，电容C放电，输出电压Vout减小。
所述补偿控制单元包括PID控制器和PD控制器，控制器的输入端都连接判决单元的输出端，两个控制器的输出端都连接数字脉宽调制单元的输入端，补偿控制单元采用积分分离结构，即在经典PID控制器的基础上增加PD控制器，使补偿控制单元由PID控制器和PD控制器两部分组成，通过判决单元的判决条件选择将数字量e(k)输入给PID控制器或PD控制器，实现积分分离控制。
优选的，所述功率级单元包括输入电压Vin、PMOS管MP、NMOS管MN、电感L、电容C和输出负载R，PMOS管MP的源极和衬底与输入电压Vin的正端相连，PMOS管MP的漏极与NMOS管MN的漏极以及电感L的一端相连，电感L的另一端与电容C的一端以及输出负载R的一端相连，输入电压Vin的负端与NMOS管MN的源极和衬底、电容C的另一端以及输出负载R的另一端相连并接地，PMOS管MP和NMOS管MN组合成为开关管，PMOS管MP的栅极和NMOS管MN的栅极相连后作为开关管控制端。
优选的，所述补偿控制单元中，PID控制器和PD控制器的比例系数相同，PID控制器和PD控制器的微分系数相同。
有益效果：本发明提供的基于积分分离结构的快速启动数字电源，在数字电源启动过程中，通过判决单元选择PD控制或PID控制，实现积分分离控制，提高了数字电源的启动速度，减少了超调量，降低了启动时间。
附图说明
图1为本发明的数字电源的整体结构框图；
图2为本发明的数字电源的信号流程图；
图3为本发明的数字电源和经典PID结构数字电源的启动仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于积分分离结构的快速启动数字电源，包括功率级单元、模数转换器单元、判决单元、补偿控制单元和数字脉宽调制单元。判决单元包括绝对值运算模块、阈值比较模块和逻辑选择模块。补偿控制单元包括PID控制器和PD控制器，PID控制器和PD控制器的比例系数相同，PID控制器和PD控制器的微分系数相同。功率级单元包括输入电压Vin、PMOS管MP、NMOS管MN、电感L、电容C和输出负载R，PMOS管MP的源极和衬底与输入电压Vin的正端相连，PMOS管MP的漏极与NMOS管MN的漏极以及电感L的一端相连，电感L的另一端与电容C的一端以及输出负载R的一端相连，输入电压Vin的负端与NMOS管MN的源极和衬底、电容C的另一端以及输出负载R的另一端相连并接地，PMOS管MP和NMOS管MN组合成为开关管，PMOS管MP的栅极和NMOS管MN的栅极相连后作为开关管控制端。
功率级单元的输出电压Vout和基准电压Vref做差后得到偏差信号e(t)，偏差信号e(t)经过模数转换器单元得到数字量e(k)，判决单元对数字量e(k)取绝对值后进行阈值比较：若大于阈值，则将数字量e(k)输入PD控制器；若小于等于阈值，则将数字量e(k)输入PID控制器；补偿控制单元对数字量e(k)进行调节，实现对数字电源的延时补偿，输出占空比值d(k)；数字脉宽调制单元将占空比值d(k)转换成占空比波形信号d(t)，并将占空比波形信号d(t)反馈给功率级单元的开关管控制端，控制开关管的导通与关断：当占空比波形信号d(t)为高电平时，开关管导通，输入电压Vin对电容C充电，输出电压Vout增加；当占空比波形信号d(t)为低电平时，开关管关断，电容C放电，输出电压Vout减小。该工作过程中：若输出电压Vout和基准电压Vref偏差大时，PD控制器发挥作用；若输出电压Vout和基准电压Vref偏差小时，PID控制器发挥作用；经过两种控制器的调节，功率级单元的输出电压Vout能迅速调整到基准电压Vref。
下面结合实施例对本发明做出进一步的说明。
本案的仿真是在MATLAB中的SIMULINK环境中进行的，数字电源的输入电压为Vin＝3.3V，基准电压为Vref＝1.2V，模数转换器单元精度是6位，数字脉宽调制单元精度是10位，判决单元中的阈值设定为0.15。
如图2所示，数字电源启动时，输出电压为Vout＝0，基准电压Vref与输出电压Vout比较后得到偏差值e(t)，模数转换器单元将偏差值e(t)转换成数字量e(k)，判决单元将数字量e(k)取绝对值运算，并与阈值0.15进行比较，判断绝对值是否大于阈值0.15：若判断结果为是，则选择PD控制；若判断结果为否，则选择PID控制。补偿控制单元将输出的占空比值d(k)输入数字脉宽调制器，数字脉宽调制器将占空比波形信号d(t)输入到功率级单元，更新输出电压Vout的值，再次计算基准电压Vref与输出电压Vout的偏差值e(t)，并经由阈值判断进行控制选择，最后再次更新输出电压Vout，如此循环，直至输出电压Vout接近基准值Vref只进行PID控制，这样当输出电压与基准电压偏差大于阈值时，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当输出电压与基准电压偏差小于阈值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。
如图3所示，为本案数字电源与经典PID结构的数字电源的启动仿真波形图，其中实线为本案的数字电源启动时间的仿真结果，虚线为经典PID结构数字电源启动时间的仿真结果，坐标横轴为时间，仿真时间范围是从0到3乘以10-4s,纵轴为数字电源输出电压，纵轴范围是0到3V。如图3所示，本案的数字电源与经典PID结构数字电源相比较，从启动时间看，本案的数字电源启动时间为76.5us，经典PID结构数字电源启动时间为133.5us，启动时间缩短了57us；从超调量看，本案的数字电源超调量为2.08V，经典PID数字电源超调量为2.33V，超调量减小了0.25V；仿真结果表明，本案的数字电源减小了启动时间，缩短了超调量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于积分分离结构的快速启动数字电源，其特征在于：包括功率级单元、模数转换器单元、判决单元、补偿控制单元和数字脉宽调制单元，判决单元包括绝对值运算模块、阈值比较模块和逻辑选择模块，补偿控制单元包括PID控制器和PD控制器；功率级单元的输出电压Vout和基准电压Vref做差后得到偏差信号e(t)，偏差信号e(t)经过模数转换器单元得到数字量e(k)，判决单元对数字量e(k)取绝对值后进行阈值比较：若大于阈值，则将数字量e(k)输入PD控制器；若小于等于阈值，则将数字量e(k)输入PID控制器；补偿控制单元对数字量e(k)进行调节，实现对数字电源的延时补偿，输出占空比值d(k)；数字脉宽调制单元将占空比值d(k)转换成占空比波形信号d(t)，并将占空比波形信号d(t)反馈给功率级单元的开关管控制端，控制开关管的导通与关断：当占空比波形信号d(t)为高电平时，开关管导通，输入电压Vin对电容C充电，输出电压Vout增加；当占空比波形信号d(t)为低电平时，开关管关断，电容C放电，输出电压Vout减小。
2.根据权利要求1所述的基于积分分离结构的快速启动数字电源，其特征在于：所述功率级单元包括输入电压Vin、PMOS管MP、NMOS管MN、电感L、电容C和输出负载R，PMOS管MP的源极和衬底与输入电压Vin的正端相连，PMOS管MP的漏极与NMOS管MN的漏极以及电感L的一端相连，电感L的另一端与电容C的一端以及输出负载R的一端相连，输入电压Vin的负端与NMOS管MN的源极和衬底、电容C的另一端以及输出负载R的另一端相连并接地，PMOS管MP和NMOS管MN组合成为开关管，PMOS管MP的栅极和NMOS管MN的栅极相连后作为开关管控制端。
3.根据权利要求1所述的基于积分分离结构的快速启动数字电源，其特征在于：所述补偿控制单元中，PID控制器和PD控制器的比例系数相同，PID控制器和PD控制器的微分系数相同。
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