数字DC-DC电源芯片控制环路设计

论文总字数：34806字

摘 要

目前数字电源技术发展越来越快，尤其是在为CPU、SoC等处理供电的DC-DC电源应用中，由于数字电源具有设计参数灵活可调、数字通信总线兼容性高、可实现高性能的复杂控制等优点，正逐渐取代传统的模拟电源。本课题将主要围绕此类DC-DC电源芯片的数字环路控制进行研究与设计。

本文利用MATLAB中的Simulink组件与Modelsim等软件，研究并设计了数字控制DC-DC电源芯片的整体数字环路控制算法。通过对同步整流BUCK电源的主拓扑结构工作原理的学习，掌握了同步整流BUCK电源的恒压控制方式。在开环控制的基础上，计算电源主拓扑结构的开环传递函数并根据相关参数计算反馈环路的补偿传递函数。根据闭环回路，调整优化参数使电路有效衰减电路扰动的影响，增加电源系统的稳定性。在所得参数的基础上利用Simulink的S-Function模块编写控制函数并对系统进行仿真。

最后，利用Modelsim与MATLAB的联合仿真，搭建完整的电源仿真系统并验证DC-DC电源数字环路控制算法。数字电源系统主要的仿真工作为达到在500kHZ开关频率下4.5-14V直流输入能够产生稳定的1-3.3V的直流输出。经过验证，设计的数字电源系统能够满足设计要求。

关键词：数字电源，同步整流BUCK，闭环回路补偿，Simulink

ABSTRACT

At present, digital power technology is developing faster and faster, especially in DC-DC power supply applications for CPU, SoC, etc., because digital power has flexible design parameters, high digital communication bus compatibility, and high performance. The advantages of complex control are gradually replacing the traditional analog power supply. This topic will focus on the research and design of digital loop control of such DC-DC power chips.

In this paper, the overall digital loop control algorithm of digitally controlled DC-DC power chip is studied and designed by using Simulink component and Modelsim software in MATLAB.

Through the learning of the working principle of the main structure of the synchronous rectification BUCK power supply, the constant voltage control mode of the synchronous rectification BUCK power supply is mastered. On the basis of open-loop control, calculate the open-loop transfer function of the main topology of the power supply and calculate the compensation transfer function of the feedback loop according to the relevant parameters. According to the closed loop, adjusting the optimization parameters makes the circuit effectively attenuate the influence of the circuit disturbance and increase the stability of the power system. On the basis of the obtained parameters, the control function is written by Simulink's S-Function module and the system is simulated.

Finally, using the joint simulation of Modelsim and MATLAB, build a complete power simulation system and verify the digital loop control algorithm of DC-DC power supply. The main simulation work of the digital power system is to achieve a stable 1-3.3V DC output with a 4.5-14V DC input at 500kHZ switching frequency. It is proved that the designed digital power system can meet the requirements we designed.

KEY WORDS: Digital power supply, synchronous rectification BUCK, closed loop compensation, Simulink

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 数字开关电源的研究现状 2

1.3 数字开关电源的发展方向 4

1.3.1 通信和系统级集成 4

1.3.2 效率优化 4

1.4 本文的研究目的和主要内容 5

第二章 同步整流BUCK变换器的工作原理 6

2.1 BUCK变换器的基本工作方式 6

2.2 BUCK变换器两种工作模式 7

2.2.1 BUCK变换器连续工作模式（CCM） 7

2.2.2 BUCK变换器不连续工作模式（DCM） 9

2.2.3 同步整流BUCK电路 10

2.3 BUCK开关变换器的设计 11

2.3.1 理想开关频率的选取 11

2.3.2 输出电容设计 12

2.3.3 连续工作模式的电感的设计 12

2.4 本章小结 13

第三章 同步整流BUCK变换器数字反馈控制回路的设计 14

3.1 控制回路的S域分析 14

3.1.1 状态空间平均法 14

3.1.2 主拓扑功率级传递函数 14

3.1.3 传递函数的相关重要参数 15

3.2 传递函数补偿设计 16

3.2.1传递函数补偿介绍 16

3.2.2 控制回路的补偿 17

3.2.3 补偿网络设计 18

3.2.4 补偿零点及瞬态响应速度 19

3.3 本章小结 19

第四章 同步整流BUCK变换器建模及仿真 20

4.1 BUCK变换器的Simulink仿真 20

4.1.1 Simulink组件 20

4.1.2 BUCK变换器离散域转化 20

4.1.3 BUCK变换器的闭环控制 21

4.1.4 利用S函数对控制回路进行再验证 22

4.2 Simulink与Modelsim联合仿真 24

4.3 系统动态响应测试 26

第五章 结论 30

参考文献 31

附录 33

致 谢 39

1. 绪论
   1. 引言

电源作为人类生活与工业发展的能量供给，电源系统性能的优劣将直接决定电子装置能否持续稳定高效运行，同时高效便捷的电源系统能够提高电力资源的利用效率从而降低各电力设备的运营成本。电力电子技术的迅猛发展使得高频开关电源在通信、计算机、工业加工以及航空航天等领域的应用变得越来越广泛。由于大部分电子设备均采用的为直流电源供电，在电力电子技术快速发展的今天，直流电源在电子设备中所扮演的角色依旧十分重要，也便需要更加稳定高效的直流电源技术。

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