专利名称：一种采用数字滑模变结构控制的Buck型开关电源转换器的制作方法
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, LD0),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力口，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Vwt输出端和反馈电压Vfed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,ef，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Vfed输出端和控制端；用于将所述参考电压Vref和所述转换模块提供的反馈电压Vfed分别转换成参考时钟信号fMf和反馈时钟信号ffed，根据所述参考电压VMf、反馈电压Vfran参考时钟信号fMf和反馈时钟信号ffed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一频率转换模块、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为参考时钟信号fMf ;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Vfed转换为反馈时钟信号ffed ；电压一频率转换电路模块，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fMf和所述反馈时钟信号ffed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fMf，以fMf作为参考时钟，对Vref和Vfed进行比较,输出为该两输入电压信号的比较结果信号compare ;当Vref>Vfed时,输出信号compare为I ;Vref<Vfed时,输出信号compare为0,输出信号compare提供给状态控制丰吴块。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fMf，用于根据输入的所述参考时钟信号fMf、所述反馈电压Vfejd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ffed相对于参考时钟fMf的频率是高还是低；反馈时钟ffed的频率自身是正在变快还是正在变慢。反馈时钟ffed和参考时钟
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ff6d远大于时，信号high=l有效，当ff6d远小于时，信号Iow=I有效；
第二段是两者之间的频率差较小。当ffe;d大于fraf时，信号error=0 ;当ffed小于时，信号error=I ；
第三段是两者频率基本相等，此时信号Iock=I有效。当ffed正在变快时，信号increase=l有效；当ffed正在变慢时,信号decrease=l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、fsub、compare、fref),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，
权利要求
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 Buck型转换模块，具有控制端、供电电压Vwt输出端和反馈电压Vfed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,ef，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Vfed输出端和控制端；用于将所述参考电压VMf和所 述转换模块提供的反馈电压Vfed分别转换成参考时钟信号fMf和反馈时钟信号ffed，根据 所述参考电压VMf、反馈电压Vfed、参考时钟信号fMf和反馈时钟信号ffed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。
2.如权利要求1所述的开关电源转换器，其特征在于所述数字滑模变结构控制器包括第一电压-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 Vref为参考时钟信号fraf ；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Vfed 转换为反馈时钟信号ffed ;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和所述反馈时钟信号ffral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fMf，用于对输入的所述参考电压 Vref和所述反馈电压Vfed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fMf，用于根据输入的所述参考时钟信号fMf、所述反馈电压 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。
3.如权利要求2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，
4.如权利要求2或3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fftd，时钟输入端接所述参考时钟信号fMf。
5.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,ef;第二输入端FED，接来自Buck型转换模块的反馈电压Vfed 输出端OUT,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 Vref为参考时钟信号fraf ；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Vfed 转换为反馈时钟信号ffed ;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和所述反馈时钟信号ffed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fMf，用于对输入的所述参考电压 Vref和所述反馈电压Vfed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fMf，用于根据输入的所述参考时钟信号fMf、所述反馈电压Vfed 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。
6.如权利要求5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，
7.如权利要求5或6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时钟输入端接所述参考时钟信号 fref°
全文摘要
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Vout输出端和反馈电压Vfed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Vfed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。
文档编号H02M3/155GK103023321SQ20121050039
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者徐冠南, 贾晨, 王自强, 郑旭强, 张春, 姜汉钧, 陈虹, 王志华 申请人:清华大学深圳研究生院