CN106019932A - 一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器 - Google Patents

一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器 Download PDF

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吴建辉
邹萌
孟楠
钱文明
徐力
陈超
李红
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric

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Abstract

本发明公开了一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器，包括绝对值模块、比较选择模块、基本PD控制模块和高相位裕度PID控制模块，数字电源控制器输入端连接绝对值模块输入端，绝对值模块输出端连接比较选择模块输入端，比较选择模块输出端连接基本PD控制模块输入端和高相位裕度PID控制模块输入端，基本PD控制模块输出端和高相位裕度PID控制模块输出端连接数字电源控制器输出端。本发明采用两种控制模块调节，能够使得数字电源输出电压迅速调整到额定输出电压，加速了负载阶跃响应。

Description

一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器
技术领域
本发明涉及一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器，属于数字电源中的控制器技术。
背景技术
随着半导体行业的快速发展，集成电路设计与制造技术的不断进步，高度集成的开关电源芯片以其体积小、效率高、能耗低和稳定性好的优点逐步成为电源管理系统的主流。长期以来，模拟控制开关电源芯片简单易用，实现成本低，技术比较成熟，因此电源设备以模拟设计方法为主。但是模拟器件存在老化和温漂问题，易受温度及电磁干扰的影响，这些因素会影响控制系统的长期稳定性。相比模拟控制开关电源，数字电源具有高可靠性、高集成度、设计灵活、开发周期短、性能可优化等特点，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。数字电源中控制器的作用是维持系统的稳定性和响应速度。PID控制具有直观、实现简单、鲁棒性好等一系列优点，在数字电源控制器中最为常用，但是PID控制中积分系数的主要作用是提高稳态精度，在电源负载发生阶跃时，短时间内系统输出误差大，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。同时，如果系统输出误差小时，一般的PID控制会产生超调，调整时间也会变慢。
发明内容
发明目的：为了减小数字电源负载阶跃过程中的调整时间和超调量，满足数字电源瞬态响应速度的提高，本发明提供一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器，包括绝对值模块、比较选择模块、基本PD控制模块和高相位裕度PID控制模块，数字电源控制器输入端连接绝对值模块输入端，绝对值模块输出端连接比较选择模块输入端，比较选择模块输出端连接基本PD控制模块输入端和高相位裕度PID控制模块输入端，基本PD控制模块输出端和高相位裕度PID控制模块输出端连接数字电源控制器输出端。
具体的，绝对值模块对输入误差信号e(k)取绝对值，得到绝对值信号b(k)，比较选择模块比较绝对值信号b(k)和阈值信号：若绝对值信号b(k)大于阈值信号，则将输入误差信号e(k)送入基本PD控制模块，通过基本PD控制模块对输入误差信号e(k)进行调节，得到输出信号d(k)；否则，将输入误差信号e(k)送入高相位裕度PID控制模块，通过高相位裕度PID控制模块对输入误差信号e(k)进行调节，得到输出信号d(k)。
优选的，所述阈值信号的取值为输入误差范围内进行仿真调试得到使得负载阶跃响应最快的最优值。
本发明的数字电源控制器，基本PD控制模块相对于现有技术采用的基本PID控制器去掉了积分系数，采用的高相位裕度PID控制模块使得数字电源系统开环频率特性具有高相位裕度特征；若绝对值信号b(k)大于阈值信号，则将输入误差信号e(k)送入基本PD控制模块，使系统带宽增大，提高动态响应速度；当绝对值信号b(k)小于等于阈值信号，则将输入误差信号e(k)送入高相位裕度PID控制模块，使系统超调量降低，数字电源输出波动减小，调整时间缩短，这样使数字电源的负载阶跃响应加快。
有益效果：本发明提供的快速负载阶跃响应的数字电源控制器，在数字电源负载阶跃过程中，通过比较选择模块判断数字电源控制器的输入信号进入基本PD控制模块或高相位裕度PID控制模块，经过两种控制模块的调节，提高了数字电源的动态响应速度，减少超调量，降低调整时间。
附图说明
图1为本发明的数字电源控制器的结构框图；
图2为基于本发明的数字电源系统的结构框图；
图3为本发明的数字电源系统信号流程图；
图4为本发明的数字电源控制器和基本PID结构控制器分别接入系统的负载阶跃仿真波形图。
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所示为一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器，包括绝对值模块、比较选择模块、基本PD控制模块和高相位裕度PID控制模块，数字电源控制器输入端连接绝对值模块输入端，绝对值模块输出端连接比较选择模块输入端，比较选择模块输出端连接基本PD控制模块输入端和高相位裕度PID控制模块输入端，基本PD控制模块输出端和高相位裕度PID控制模块输出端连接数字电源控制器输出端。
当数字电源的输出负载发生阶跃时，绝对值模块对输入误差信号e(k)取绝对值，得到绝对值信号b(k)，比较选择模块比较绝对值信号b(k)和阈值信号：若绝对值信号b(k)大于阈值信号，则将输入误差信号e(k)送入基本PD控制模块，以实现动态响应速度的提高，通过基本PD控制模块对输入误差信号e(k)进行调节，得到输出信号d(k)；否则，将输入误差信号e(k)送入高相位裕度PID控制模块，以实现超调量减小，通过高相位裕度PID控制模块对输入误差信号e(k)进行调节，得到输出信号d(k)。该数字电源控制器，经过两种控制模块的调节，使得数字电源输出电压迅速调整到额定值，加速了负载阶跃响应。
如图2所示的数字电源系统，包括数字电源系统由功率级、ADC、数字电源控制器和DPWM四部分，基准电压Vref和功率级输出电压Vout作差后得到偏差信号e(t)，偏差信号e(t)经过ADC得到数字量e(k)，基本PD控制模块或高相位裕度PID控制模块对数字量e(k)进行调节，输出占空比信号d(k)，DPWM将占空比信号d(k)转换成占空比波形d(t)，占空比波形d(t)反馈到功率级，控制功率级输出电压Vout变化。
本案的仿真是在MATLAB中的SIMULINK环境中进行的，数字电源系统的输入电压为3.3V，基准电压Vref＝1.5V，ADC是8位，DPWM是10位，比较选择模块中的阈值信号设定为2，额定负载值是0.1Ω，重负载值是0.05Ω。
如图3所示，当数字电源发生负载阶跃时，基准电压Vref与功率级输出电压Vout作差后得到偏差信号e(t)，偏差信号e(t)经过ADC得到数字量e(k)，数字电源控制器中的绝对值模块对数字量e(k)进行绝对值运算，得到绝对值信号b(k)，比较选择模块比较绝对值信号b(k)和阈值信号，判断绝对值信号b(k)是否大于阈值2：若判断为是，则选择基本PD控制；否则，选择高相位裕度PID控制模块。基本PD控制模块或高相位裕度PID控制模块对数字量e(k)进行调节，输出占空比信号d(k)，DPWM将占空比信号d(k)转换成占空比波形d(t)，占空比波形d(t)反馈到功率级，更新功率级输出电压Vout。如此循环，直至功率级输出电压Vout接近基准电压Vref，最终整个系统仅进行高相位裕度PID控制。这样当输出与基准偏差大于阈值时，取消积分作用，使系统带宽增大，加快动态响应速度；当输出与基准偏差小于等于阈值时，引入高相位裕度PID控制，以便降低超调量，缩短稳定时间。
图4为数字电源控制器和基本PID结构控制器分别接入系统的负载阶跃仿真波形图，其中实线为基本PID结构控制器对应系统的输出电压仿真结果，虚线为本发明的数字电源控制器对应系统的输出电压仿真结果，坐标横轴为时间，仿真时间范围是从1.48ms到1.6ms，纵轴为数字电源系统输出电压，纵轴范围是1V到1.7V，负载在1.5ms时由额定值0.1Ω跳变到重负载值0.05Ω，如图4所述数字电源控制器和基本PID结构控制器相比较，从调节时间看，所述数字电源控制器调节时间为27μs，基本PID结构控制器调节时间为50μs，调节时间缩短了23μs；从超调量看，所述数字电源控制器没有超调量，而基本PID结构控制器存在超调量，仿真结果表明，所述数字电源控制器具有减小调节时间，降低超调量的效果，能加速负载阶跃响应。
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)

1.一种快速负载阶跃响应的数字电源控制器，其特征在于：包括绝对值模块、比较选择模块、基本PD控制模块和高相位裕度PID控制模块，数字电源控制器输入端连接绝对值模块输入端，绝对值模块输出端连接比较选择模块输入端，比较选择模块输出端连接基本PD控制模块输入端和高相位裕度PID控制模块输入端，基本PD控制模块输出端和高相位裕度PID控制模块输出端连接数字电源控制器输出端。
2.根据权利要求1所述的快速负载阶跃响应的数字电源控制器，其特征在于：绝对值模块对输入误差信号e(k)取绝对值，得到绝对值信号b(k)，比较选择模块比较绝对值信号b(k)和阈值信号：若绝对值信号b(k)大于阈值信号，则将输入误差信号e(k)送入基本PD控制模块，通过基本PD控制模块对输入误差信号e(k)进行调节，得到输出信号d(k)；否则，将输入误差信号e(k)送入高相位裕度PID控制模块，通过高相位裕度PID控制模块对输入误差信号e(k)进行调节，得到输出信号d(k)。
3.根据权利要求2所述的快速负载阶跃响应的数字电源控制器，其特征在于：所述阈值信号的取值为输入误差范围内进行仿真调试得到使得负载阶跃响应最快的最优值。
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