数字自动选频DC-DC控制器的研究与设计

论文摘要

随着高性能移动设备的快速增长,电池的持航时间越来越受到人们的关注,电源管理也随之成为越来越重要的问题,开关型直流转换器（DC-DC）相比其他电源转换器有着更高的转换效率,越来越受到厂商的青睐。但是,传统单一固定频率脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）的DC-DC在低负载电流条件下也存在着低转换效率的问题,因此,目前普遍采用的是和脉频调制方式（Pulse Frequency Modulation, PFM）相结合的多模控制DC-DC,即在低负载电流条件下采用PFM调制。虽然,PFM调制能显著降低系统开关频率,提高DC-DC的转换效率,但PFM的系统开关频率随负载电流变化,对周围其他蕊片的电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI）问题无法处理,在一些对噪声十分敏感的无线移动设备中存在很大的应用限制。因此,本论文针对现有技术方案的不足,着力于研究与设计一个既能提高低负载电流条件下转换效率又能对EMI问题可处理的快速响应降压型DC-DC （Buck电路）。本文首先对Buck电路的基本概念,包括工作原理、工作模式做了简单介绍,然后通过对损耗各来源的分析比较,帮助确定了低负载电流条件下提高转换效率的主要途径是降低开关频率,结合对EMI问题的常见解决方案的分析以及数字解决方案相较模拟解决方案的优势,确定了本文采用数字选频PWM方案来实现设计目标。接着论文对Buck电路的重要参数、模数转换器和脉宽调制器位数进行了设定。在此基础上,对Buck电路进行了数学模型分析,完成了传递函数的推导以及系统环路补偿器的设计。采用Simulink仿真系统环路,验证环路稳定性。然后,具体阐述了数字选频DC-DC控制器各模块的电路设计,包括数字控制器的整体系统结构,系统控制有限状态机、补偿器、Dither DPWM和线性非线性控制模块。其中对于负载电流位于区间采用数字信号判断,省去了电流采样电路,进行了有益的创新设计。对数字选频DC-DC控制器进行了闭环CPLD测试验证。测试结果显示,输入电压3.3V,DC-DC在宽负载范围内选频,稳定输出电压1.8V,输出电压纹波控制在20mV以内,而且在所有系统开关频率下,输出电压的谐波分量均位于基频的整数倍上,能在后级设计特定滤波器进行有效滤波,显著降低EMI。在高负载电流条件下,Buck电路平均转换效率大于80%,,峰值效率为85%,在低负载电流条件下,Buck电路与单一固定4MHz频率PWM调制方式相比,提升了将近30%的效率,当负载电流在100mA与350 mA之间跳变,通过非线性控制技术,电压过冲限制在50 mV以内。此外,DC-DC还具备输出电压可配置,软启动功能。文章最后总结了全文和不足,并指出了今后工作的研究方向。

论文目录

• 图汇总
• 表汇总
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及动机
• 1.2 本文的研究目标及主要工作
• 1.3 本文组织结构
• 1.4 参考文献
• 第2章 降压型DC-DC电路
• 2.1 概述
• 2.2 Buck电路的工作模式
• 2.2.1 连续导通模式（CCM）
• 2.2.2 断续导通模式（DCM）
• 2.3 Buck电路的损耗分析
• 2.4 Buck电路的EMI问题
• 2.5 小结
• 2.6 参考文献
• 第3章 降压型DC-DC系统建模和仿真
• 3.1 同步Buck电路重要参数选择
• 3.2 ADC和DPWM的分辨率确定
• 3.3 系统各模块传递函数推导
• 3.4 系统环路补偿器设计
• 3.5 系统Simulink建模仿真
• 3.6 小结
• 3.7 参考文献
• 第4章 数字自动选频DC-DC控制器设计
• 4.1 数字控制器系统结构
• 4.2 系统控制有限状态机设计
• 4.3 环路补偿器设计
• 4.4 Dither DPWM设计
• 4.5 线性非线性控制模块设计
• 4.6 数字模块Modelsim仿真
• 4.7 小结
• 4.8 参考文献
• 第5章 数字自动选频DC-DC控制器的CPLD验证 #53、
• 5.1 数字控制器的CPLD验证
• 5.1.1 闭环系统选频性能测试
• 5.1.2 输出电压可配置和软启动功能测试
• 5.1.3 负载电流变化选频性能测试
• 5.1.4 线性非线性控制测试
• 5.1.5 系统效率测试
• 5.1.6 性能比较
• 5.2 小结
• 5.3 参考文献
• 第6章 总结和展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 致谢