数字pid控制的buck型dcdc变换器的分析与设计
摘 要 随着电子设备的日益增多，对于开关电源的研究日趋成熟，相对于之前传统的模拟控制，数字控制技术具有许多的优势，例如对系统可靠性及稳定性的提高，可以实现更复杂的控制运算，也更加灵活多变。因此，越来越多的电源设计公司投入到电源数字控制的研究中来，大大带动了开关电源数字化设计的发展速度。本论文的研究对象是Buck型DC-DC变换器，通过电压反馈脉宽调制（PWM）控制模式进行数字控制并按照设计要求设计合理的数字补偿算法，其中，PID控制是最为常用的一种控制方式。本论文中，首先对Buck型电路的两种工作模式进行介绍，其次明确了DC-DC变换器的调制方式，并采用电压模式的控制模式。在数字控制开关电源中，补偿器设计是核心内容，本文也将着重介绍。根据数字控制Buck变换器的工作原理先建立适合数字控制的数字模型，随后用直接设计法设计数字补偿器，然后使用MATLAB/SIMULINK进行系统建模与仿真，通过仿真的结果判断补偿器的设计正确性。本文的PID控制适合建立精确模型的系统，传统的PID算法简单，参数易于调整，可靠性高。PID控制器是根据r（t）和c（t）构成控制偏差，其中r（t）是给定值的参考值，c（t）是实际测量值的输出值。然后将偏差的P、I、D构成控制量，来控制被控对象，P是比例，I是积分，D是微分本文设计的数字PID控制器在Buck型DC-DC变换器中经验证达到设计的预期效果，输出电压稳定，各项系数符合指标要求，动态响应迅速。
目 录
第一章 概述 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3研究内容 3
第二章 数字控制Buck型DCDC变换器的设计原理 6
2.1 Buck型主拓扑的工作原理 6
2.2 DCDC变换器的调制方式与控制模式 7
2.2.1 调制方式 7
2.2.2 控制模式 8
2.3 数字控制电路介绍 8
2.3.1 模数转换电路（ADC模块） 9
2.3.2 数字补偿器 9
2.3.3 DPWM模块（数字脉宽调制器） 10
2.4BUCK主拓扑器件选取 10
第三章 Buck变换器数字PID补偿设计
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
13
3.1 PID补偿原理 13
3.2 数字PID算法 14
3.3 PID补偿器设计 17
第四章 基于Matlab/Simulink的仿真与分析 19
4.1Simulink仿真模型的建立 19
4.1.1 BUCK变换器建模 19
4.1.2ADC模块及建模 20
4.1.3数字脉冲宽度调制器的仿真模型 21
4.2数字控制Buck型DCDC变换器的系统仿真 22
4.2.1 传统数字PID算法的仿真与分析 23
总结及展望 26
致 谢 27
参考文献 28
第一章 概述
科学技术的发展，电子产品与人们的生活和工作变得日益紧密。而各种电子设备都离不开电源，一个高性能且又稳定的电源能充分发挥电子设备的各项功能。随着电源技术的飞速发展，开关电源的研究开发日益成熟。开关电源是一种电能变换装置，根据负载对电源输出稳压或者稳流特性的要求，采用反馈控制电路和占空比控制方法对开关电路进行控制，维持输出的稳定。传统的模拟控制存在着许多不足，电路也很复杂，数字控制电路相比而言就更加稳定可靠，本文研究的正是数字控制开关电源。
1.1 课题背景与意义
便携式电子产品的火热发展导致产品中的电源芯片应满足轻薄小，低功耗，高效率，高稳定性的特点。目前，市场上常用的有低压差线性稳压电源、电荷泵电源和开关电源三类产品。线性稳压电源在供电回路中相当于一个可变电阻串联，通过改变晶体管的导通程度来改变和控制输出的电压和电流。这种电源只适用于降压范围，效率低，随着电压的升高效率降低，电路结构简单，需要散热器，体积较大，适用于10w以下电源和高速可编程电源，成本较低；电荷泵电源常用于倍压或反压型DCDC转换，它的实质是利用陶瓷电容的充、放电特性实现电荷转移，故而称为电荷泵。此电源效率也较低，电路结构较简单，需要外接两个电容，但是不需要外接电感，尺寸较小，纹波和噪声较大并且输出电压受负载电流影响很大，成本较低，多用于蜂窝式电话、蓝牙、寻呼机等【1】。
相比前两类电源，开关电源具备许多优势，例如适用于全电压范围，不需要压差，可采用不同拓扑结构实现不同的输出要求。并且它的效率相对较高，不会随输入电压的升高而降低，不需要散热器，体积小等。但传统的开关电源一般都是通过模拟方式实现的，需要的外围元器件较多，成本高，电路也相对复杂。
开关电源以DCDC变换器为核心。随着消费电子产业迅猛发展，在带来广阔前景的同时，也对DCDC变换器提出了更高的要求。传统的DCDC变换器一直采用模拟控制的方式，电路复杂，元器件较多，如果想要提高开关电源的工作效率就要对电路进行大修改，控制不灵活，无法完成一些复杂的运算。于是数字控制技术便迅速发展起来【2】。
众所周知，数字控制比起模拟控制有许多优势。图1.1给出了模拟控制电路的结构框图[2]
图1.1 模拟控制电路框图
与模拟控制相比，数字控制的优势更加明显，包括在线可编程性、先进的控制算法、提高效率的优化、更高的运行精度和可靠性、优秀的系统管理和连接功能。模拟控制中常见的老化、温度漂移、补偿等问题在数字控制中不复存在，并且无需调谐，可靠性高，能得到一致的、稳定的控制参数，图1.2给出了数字控制结构框图。数字电源的操作特性使其更容易实现非线性控制、多回路控制等高级控制算法，无需更换元器件，只需要更改固件就可以实现新的拓扑结构和控制算法。
图1.2 数字控制电路框图
因此，从两者对比来看，数字控制优于模拟控制，元器件数目减少，电路结构简化，提高了系统的可靠性【3】，同时可以消除模拟调节器在温度漂移以及参数整定等方面难以克服的缺点。但是数字控制电源也不是完美的，也有需要克服的缺点。例如，数字控制无法对信号状态做出即时的反应，对于负载变化的反馈要有一个采样、量化和处理的过程，这一点上还不能与模拟控制比较。模拟电源在精度和效率上也要略胜一筹。但是在相同成本下，数字控制解决方案更有优势。
模拟控制几经成熟的当下，数字控制还未完全发展开来，但随着科学技术的不断发展，数字控制技术将会得到更加广泛的应用。
1.2国内外研究现状
数字电源具有许多优点，数字控制在九十年代也被预测将成为DCDC变换器的主要控制方式，但是21世纪初国内对于数字电源的研究极不成熟，中国的企业把对成本的考虑放在首要位置【4】，而数字电源的应用成本较大，所以国内数字电源发展缓慢【5】。
相反的，在国内数字电源发展止步不前的时期，国外许多公司和大学对于数字电源的研究越发火热，在2005年的应用电源电子研讨会上，德州仪器（Texas Instruments，TI）发布了Fusion Digital Power解决方案【6】，这是一款数字化电源产品；科罗拉多大学研究了数字控制环路振荡条件，设计了高频数字控制芯片【7】等等。
随着电源技术的不断进步，对于电源的要求也越来越多，传统的模拟控制中，控制电路元器件较多，往往只是想要改变一个控制参数就不得不对电路结构进行修改，过程复杂又繁琐。数字控制的灵活易变动的特点使得对于电源控制有了可编程能力。在数字控制实现中，已经设计出了离散域的数字控制器，例如，科罗拉多大学的博士论文对于DCDC变换器数字控制的研究，先在连续域中设计好模拟控制器，再将其离散化成为数字控制器【8】；参考文献【9】提出了数字控制PID设计研究方法，文献【10】提出了高频数字电源芯片的研究，但是这些研究在设计过程中都不是完全意义上在离散域中进行系统建模设计。
目 录
第一章 概述 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3研究内容 3
第二章 数字控制Buck型DCDC变换器的设计原理 6
2.1 Buck型主拓扑的工作原理 6
2.2 DCDC变换器的调制方式与控制模式 7
2.2.1 调制方式 7
2.2.2 控制模式 8
2.3 数字控制电路介绍 8
2.3.1 模数转换电路（ADC模块） 9
2.3.2 数字补偿器 9
2.3.3 DPWM模块（数字脉宽调制器） 10
2.4BUCK主拓扑器件选取 10
第三章 Buck变换器数字PID补偿设计
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
13
3.1 PID补偿原理 13
3.2 数字PID算法 14
3.3 PID补偿器设计 17
第四章 基于Matlab/Simulink的仿真与分析 19
4.1Simulink仿真模型的建立 19
4.1.1 BUCK变换器建模 19
4.1.2ADC模块及建模 20
4.1.3数字脉冲宽度调制器的仿真模型 21
4.2数字控制Buck型DCDC变换器的系统仿真 22
4.2.1 传统数字PID算法的仿真与分析 23
总结及展望 26
致 谢 27
参考文献 28
第一章 概述
科学技术的发展，电子产品与人们的生活和工作变得日益紧密。而各种电子设备都离不开电源，一个高性能且又稳定的电源能充分发挥电子设备的各项功能。随着电源技术的飞速发展，开关电源的研究开发日益成熟。开关电源是一种电能变换装置，根据负载对电源输出稳压或者稳流特性的要求，采用反馈控制电路和占空比控制方法对开关电路进行控制，维持输出的稳定。传统的模拟控制存在着许多不足，电路也很复杂，数字控制电路相比而言就更加稳定可靠，本文研究的正是数字控制开关电源。
1.1 课题背景与意义
便携式电子产品的火热发展导致产品中的电源芯片应满足轻薄小，低功耗，高效率，高稳定性的特点。目前，市场上常用的有低压差线性稳压电源、电荷泵电源和开关电源三类产品。线性稳压电源在供电回路中相当于一个可变电阻串联，通过改变晶体管的导通程度来改变和控制输出的电压和电流。这种电源只适用于降压范围，效率低，随着电压的升高效率降低，电路结构简单，需要散热器，体积较大，适用于10w以下电源和高速可编程电源，成本较低；电荷泵电源常用于倍压或反压型DCDC转换，它的实质是利用陶瓷电容的充、放电特性实现电荷转移，故而称为电荷泵。此电源效率也较低，电路结构较简单，需要外接两个电容，但是不需要外接电感，尺寸较小，纹波和噪声较大并且输出电压受负载电流影响很大，成本较低，多用于蜂窝式电话、蓝牙、寻呼机等【1】。
相比前两类电源，开关电源具备许多优势，例如适用于全电压范围，不需要压差，可采用不同拓扑结构实现不同的输出要求。并且它的效率相对较高，不会随输入电压的升高而降低，不需要散热器，体积小等。但传统的开关电源一般都是通过模拟方式实现的，需要的外围元器件较多，成本高，电路也相对复杂。
开关电源以DCDC变换器为核心。随着消费电子产业迅猛发展，在带来广阔前景的同时，也对DCDC变换器提出了更高的要求。传统的DCDC变换器一直采用模拟控制的方式，电路复杂，元器件较多，如果想要提高开关电源的工作效率就要对电路进行大修改，控制不灵活，无法完成一些复杂的运算。于是数字控制技术便迅速发展起来【2】。
众所周知，数字控制比起模拟控制有许多优势。图1.1给出了模拟控制电路的结构框图[2]
图1.1 模拟控制电路框图
与模拟控制相比，数字控制的优势更加明显，包括在线可编程性、先进的控制算法、提高效率的优化、更高的运行精度和可靠性、优秀的系统管理和连接功能。模拟控制中常见的老化、温度漂移、补偿等问题在数字控制中不复存在，并且无需调谐，可靠性高，能得到一致的、稳定的控制参数，图1.2给出了数字控制结构框图。数字电源的操作特性使其更容易实现非线性控制、多回路控制等高级控制算法，无需更换元器件，只需要更改固件就可以实现新的拓扑结构和控制算法。
图1.2 数字控制电路框图
因此，从两者对比来看，数字控制优于模拟控制，元器件数目减少，电路结构简化，提高了系统的可靠性【3】，同时可以消除模拟调节器在温度漂移以及参数整定等方面难以克服的缺点。但是数字控制电源也不是完美的，也有需要克服的缺点。例如，数字控制无法对信号状态做出即时的反应，对于负载变化的反馈要有一个采样、量化和处理的过程，这一点上还不能与模拟控制比较。模拟电源在精度和效率上也要略胜一筹。但是在相同成本下，数字控制解决方案更有优势。
模拟控制几经成熟的当下，数字控制还未完全发展开来，但随着科学技术的不断发展，数字控制技术将会得到更加广泛的应用。
1.2国内外研究现状
数字电源具有许多优点，数字控制在九十年代也被预测将成为DCDC变换器的主要控制方式，但是21世纪初国内对于数字电源的研究极不成熟，中国的企业把对成本的考虑放在首要位置【4】，而数字电源的应用成本较大，所以国内数字电源发展缓慢【5】。
相反的，在国内数字电源发展止步不前的时期，国外许多公司和大学对于数字电源的研究越发火热，在2005年的应用电源电子研讨会上，德州仪器（Texas Instruments，TI）发布了Fusion Digital Power解决方案【6】，这是一款数字化电源产品；科罗拉多大学研究了数字控制环路振荡条件，设计了高频数字控制芯片【7】等等。
随着电源技术的不断进步，对于电源的要求也越来越多，传统的模拟控制中，控制电路元器件较多，往往只是想要改变一个控制参数就不得不对电路结构进行修改，过程复杂又繁琐。数字控制的灵活易变动的特点使得对于电源控制有了可编程能力。在数字控制实现中，已经设计出了离散域的数字控制器，例如，科罗拉多大学的博士论文对于DCDC变换器数字控制的研究，先在连续域中设计好模拟控制器，再将其离散化成为数字控制器【8】；参考文献【9】提出了数字控制PID设计研究方法，文献【10】提出了高频数字电源芯片的研究，但是这些研究在设计过程中都不是完全意义上在离散域中进行系统建模设计。
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