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一种SIDO Buck 开关变换器及数字控制方法

阅读：277发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种SIDO Buck 开关变换器及数字控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种SIDO Buck 开关变换器及数字控制方法。该变换器包括采样模块、A/D转换模块、误差计算模块、PID控制模块、CCB换序控制模块、PWM模块以及门级驱动逻辑电路。方法为：采样模块将模拟信号转换成离散信号，然后由A/D转换模块转换成数字信号，输入至误差计算模块；PID模块根据误差值，确定新开关周期的占空比值；PWM模块根据占空比值输出PWM信号，驱动电路确定开关管的通断，实现输出电压值的调节；CCB换序控制模块判断是否进入换序控制，并在输入电压发生变化时，通过调节输入功率使得系统回归到稳态。本发明减少了开关变换器两条支路的交叉干扰，提高了开关变换器的动态响应，改善了系统的稳态性能。，下面是一种SIDO Buck 开关变换器及数字控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种SIDO Buck 开关变换器，其特征在于，包括采样计算模块、A/D转换模块、误差计算模块、PID控制模块、CCB换序控制模块、门级驱动逻辑电路以及PWM模块，其中：
所述采样模块，用于将输出信号从连续时间域上的模拟信号，转换成离散时间域上的离散信号；
所述A/D转换模块，用于将采样模块采集到的模拟信号转换成数字信号，输入至误差计算模块；
所述误差计算模块，接收采样模块输出的离散信号，计算共模参考电压与共模输出电压的差，以及差模参考电压与差模输出电压的差，得出当前的误差，传输至PID控制模块；
所述PID控制模块，包括差模PID控制单元、共模PID控制单元，用于确定输出电压误差值，并得到下一开关周期的占空比值，确定开关管的通断；
所述CCB换序控制模块，当输入电压发生变化时，系统启用CCB换序控制模块，通过增加输入功率或者减少输入功率，让系统回归到稳态；
所述PWM模块，根据占空比的值，输出相应的PWM信号；
所述门级驱动逻辑电路，根据PWM信号驱动拓扑结构中开关管的通断状态，来调节输出电压值。
2.根据权利要求1所述的SIDO Buck开关变换器，其特征在于，该变换器的拓扑结构如下：
输入电压为Vin，1支路输出电压为Vo1，2支路输出电压为Vo2，开关周期为TS,主开关管Si的导通占空比为Di，1支路开关管S1的导通占空比为D1，2支路开关管S2的导通占空比为D2，其中：
主开关管Si的一端与输入电压Vin的正端相连，主开关管Si的另一端与电感L一端相连；
电感L的另一端连接1支路开关管S1和2支路开关管S2，1支路开关管S1的另一端与第一电容C1和第一负载电阻R1连接，2支路开关管S2的另一端与第二电容C2和第二负载电阻R2连接；第一电容C1的另一端和第一负载电阻R1的另一端连接在一起并接地，第二电容C2的另一端和第二负载电阻R2的另一端连接在一起并接地；在两条支路中，1支路先于2支路工作并且两路的工作时序互补，即：D1+D2＝1。
3.根据权利要求1或2所述的SIDO Buck开关变换器，其特征在于，所述A/D转换模块的输出端连接PID控制模块的两个输入端，PID控制模块的另外两个输入端是共模参考电压Vcmref和差模参考电压Vdmref；
所述差模PID控制单元中的两个输入端分别连接A/D采样转换单元输出的1支路输出电压值Vo1[k]和2支路输出电压Vo2[k]，另一个输入端连接差模参考电压信号Vdmref；差模PID控制单元输出的两个离散占空比信号D1、D2，与PWM模块的输入端相连；共模PID控制单元的两个输入端分别连接A/D采样转换单元输出的1支路数字输出电压值Vo1[k]、2支路数字输出电压值Vo2[k]，另一个输入端连接共模参考电压信号Vcmref；共模PID控制单元输出的离散占空比信号Di与PWM模块的输入端相连；PWM模块输出的PWM 控制信号分别连接主开关管Si、1支路开关管S1和2支路开关管S2。
4.一种SIDO Buck开关变换器的数字控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在第k个开关周期的初始，分别采样SIDO Buck开关变换器的1支路模拟输出电压Vo1、2支路模拟输出电压值Vo2，经过A/D转换模块转换得到相应的数字离散输出电压值Vo1[k]、Vo2[k]；
步骤2、将第k周期的1支路输出电压Vo1[k]、2支路输出电压值Vo2[k]的运算结果Vd[k]，与差模参考电压信号Vdmref进行比较，得到电压误差值ΔVd[k]；差模PID控制单元根据ΔVd[k]以及前两个周期的电压误差值ΔVd[k-1]、ΔVd[k-2]，用预设的比例控制系数Kp、积分控制系数Ki和微分控制系数Kd的值作为控制参数执行PID控制算法，输出占空比D1与D2；
步骤3、将第k周期的1支路输出电压Vo1[k]、2支路输出电压值Vo2[k]的运算结果Vc[k]与共模参考电压信号Vcmref进行比较，得到电压误差值ΔVc[k]，共模PID控制单元根据ΔVc[k]以及前两个周期的电压误差值ΔVc[k-1]、ΔVc[k-2]，以预设的比例控制系数Kp，积分控制系数Ki和微分控制系数Kd的值作为控制参数执行PID控制算法，输出主开关管Si的占空比Di；
步骤4、PID控制模块将占空比信号传输至PWM模块，输出相应的驱动信号Di,D1,D2，分别传输到主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2，以此来调节模拟输出电压值Vo1[t]与Vo2[t]；
步骤5、将SIDO Buck开关变换器主拓扑结构的支路模拟输出电压经A/D采样转换单元再次采样转换，依次经过PID控制模块、PWM模块，形成新的PWM信号控制主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2，循环控制以调节1支路输出电压值Vo1、2支路输出电压值Vo2；
步骤6、当输入电压发生变化时，系统进入CCB换序控制模块，此时主开关管Si，1支路开关管S1，2支路开关管S2的导通时间及次序发生改变；在CCB换序计算模块中，根据输入电压突变前后采样的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出换序持续时间TC，以及换序期间1支路开关管S1的导通占空比D1和2支路开关管S2的导通占空比D2；在整个换序充电期间，当输入电压发生正的阶跃时，将主开关管Si设置为断开状态，减少输入功率；反之，当输入电压发生负的阶跃时，将主开关管Si设置为闭合状态，增加输入功率；
步骤7、进行新稳态计算：根据采样模块获得的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出主开关管Si的导通占空比Di、1支路开关管S1的导通占空比D1，2支路开关管S2的导通占空比D2，然后将计算出来的占空比经过PWM模块生成PWM信号，通过门级驱动逻辑电路控制开关管的导通，从而达到稳态；
步骤8、换序控制结束以后，各开关管的导通占空比为新稳态下的值，此时控制系统切换为到常规的PID控制，再经由PID控制模块进行调节，使得系统最终达到新稳态；
步骤9、再次对输出电压进行采样，重复步骤1～步骤8进行循环控制开关电源功率管的导通与关断。
5.根据权利要求4所述的SIDO Buck开关变换器的数字控制方法，其特征在于，步骤3所述的将第k周期的1支路输出电压Vo1[k]、2支路输出电压值Vo2[k]的运算结果Vc[k]与共模参考电压信号Vcmref进行比较，得到电压误差值ΔVc[k]，共模PID控制单元根据ΔVc[k]以及前两个周期的电压误差值ΔVc[k-1]、ΔVc[k-2]，以预设的比例控制系数Kp，积分控制系数Ki和微分控制系数Kd的值作为控制参数执行PID控制算法，输出主开关管Si的占空比Di，具体如下：
步骤3.1、当执行机构需要的是控制量的增量时，采用增量式PID控制，根据递推原理得到：
Δu(k)＝kp[error(k)-error(k-1)]+kierror(k)+kd[error(k)-2error(k-1)+error(k-2)]     (1)
式中kp是比例控制系数，ki是积分控制系数，kd是微分控制系数，error(k)是第k个周期时u(k)与u(k-1)的差值；
步骤3.2、设定各元器件均是理想的，即不考虑开关管的导通压降，电感和电容的寄生电阻；
差模PID控制单元流程如下：首先将第k周期数字离散输出电压值Vo1[k]和Vo2[k]作为差模PID控制单元的输入信号，差模PID控制单元根据Vo1[k]和Vo2[k]的运算结果Vd[k]与参考电压Vdmref，进行迭代运算，得到支路开关管导通占空比值，具体单次迭代计算过程如下：
ΔVd[k-2]＝ΔVd[k-1]                        (2)
ΔVd[k-1]＝ΔVd[k]                           (3)
ΔVd[k]＝Vdmref-Vd[k]                        (4)
ΔD＝kp(ΔVd[k]-ΔVd[k-1])+kiΔVd[k]+kd(ΔVd[k]-2ΔVd[k-1]+ΔVd[k-2])  (5)D1[k]＝D1[k-1]+ΔD                     (6)
D2[k]＝1-D1[k]                         (7)
其中，ΔD是第k个周期1支路开关导通占空比与第k-1个周期1支路开关导通占空比的差值，D1[k]是第k个周期的1支路开关的占空比值，D2[k]是第k个周期的2支路开关的占空比值,ΔVd[k]为差模信号的误差，Kp、Ki、Kd分别为PID系数；
共模PID控制单元流程如下：首先将第k周期数字离散输出电压值Vo1[k]和Vo2[k]作为共模PID控制单元的输入信号，共模PID控制单元根据Vo1[k]和Vo2[k]的运算结果Vc[k]与参考电压Vcmref，进行迭代运算，得到主开关管导通占空比值；具体单次迭代计算过程如下：
ΔVc[k-2]＝ΔVc[k-1]                            (8)
ΔVc[k-1]＝ΔVc[k]                              (9)
ΔVc[k]＝Vcmref-Vc[k]                           (10)
ΔD＝kp(ΔVc[k]-ΔVc[k-1])+kiΔVc[k]+kd(ΔVc[k]-2ΔVc[k-1]+ΔVc[k-2])  (11)Di[k]＝Di[k-1]+ΔD                          (12)
其中，ΔD是第k个周期主开关导通占空比与第k-1个周期主开关导通占空比的差值，Di[k]是第k个周期的主开关的占空比值，ΔVc[k]为共模信号的误差，Kp、Ki、Kd分别为PID系数。
6.根据权利要求4所述的SIDO Buck开关变换器的数字控制方法，其特征在于，步骤6所述的当输入电压发生变化时，系统进入CCB变频控制模块，此时主开关管Si，1支路开关管S1，
2支路开关管S2的导通时间及先后顺序发生改变；在CCB换序计算模块中，根据输入电压突变前后采样的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出换序持续时间TC，以及变频期间1支路开关管S1的导通占空比D1和2支路开关管S2的导通占空比D2；在整个换序期间，当输入电压发生正的阶跃时，将主开关管Si设置为断开状态，从而达到减少输入功率的效果，反之，当输入电压发生负的阶跃时，将主开关管Si设置为导通状态，从而达到增加输入功率的效果，具体如下：
换序期间，主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2的导通时间全部发生改变；支路开关管的导通占空比D1、D2和换序时间Tc根据支路的电容充放电平衡以及采样的负载电流计算得到，公式为：
Ivnew-Iv＝-Vo2/L*Tc                         (13)
io1*D2＝0.5*D1*(ivnew-io1+ivnew-io1+D1*Ts*(Vin-Vo1)/L))        (14)其中ivnew是输入电压发生变化以后的电感谷值电流。
7.根据权利要求4所述的SIDO Buck开关变换器的数字控制方法，其特征在于，步骤7所述进行新稳态计算：根据采样模块获得的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出主开关管Si的导通占空比Di、1支路开关管S1的导通占空比D1，2支路开关管S2的导通占空比D2，然后将计算出来的占空比经过PWM模块生成PWM信号，控制开关管的导通，从而达到稳态，公式为：
Ipnew-Ivnew＝D1*Ts*(Vin-Vo1)/L+(Di-D1)*Ts*(Vin-Vo2)/L               (15)。

说明书全文

一种SIDO Buck 开关变换器及数字控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隔离型DC-DC变换器技术领域，特别是一种SIDO Buck开关变换器及数字控制方法。

背景技术

[0002] 随着科技的迅猛发展，电子设备对集成度的要求日益增高，如智能手机、平板电脑等便携式电子设备中，更是将多种处理单元封装在一块芯片每部，这种方式被称为片上系统(System on chip,SoC)。SoC包含多种处理单元，并且不同单元需要的工作电压也各不相同，因此，需要电源管理模块对各个单元进行供电。传统的解决方法是采用多个独立电源分别进行供电，这样就存在多个外置电感和需要多个功率管。

[0003] 为了节省芯片面积和提高系统集成度，以及减少外置的滤波电感的数量，出现了单电感多输出开关变换器技术。单电感双输出降压型开关变换器是单电感多输出开关变换器的一种，其整体架构中只包含一个电感，但可以为两路负载输出不同电压。对于智能手机、平板电脑等需要两路或者多路电源的电子产品来说，提供了很好的解决方案，而且相比于传统的多路DC-DC 开关电源，它减少了磁性元器件的使用，从而减小了电源体积，降低了电源成本。

[0004] 在现在的电源管理中，为了获得比较高的效率，一般选择多模式的控制方法，这样就导致电源的动态性能下降，不能满足越来越高的动态性能要求。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种能够实现两路电压稳定输出的功能，将输出电压过冲与欠压稳定在一定范围内，并提高动态响应，减少多路之间的交叉干扰，改善系统的稳态性能的SIDO Buck开关变换器及数字控制方法。

[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种SIDO Buck开关变换器，包括采样计算模块、A/D转换模块、误差计算模块、PID控制模块、CCB换序控制模块、PWM模块以及门级驱动逻辑电路，其中：

[0007] 所述采样模块，用于将输出信号从连续时间域上的模拟信号，转换成离散时间域上的离散信号；

[0008] 所述A/D转换模块，用于将采样模块采集到的模拟信号转换成数字信号，输入至误差计算模块；

[0009] 所述误差计算模块，接收采样模块输出的离散信号，计算共模参考电压与共模输出电压的差，以及差模参考电压与差模输出电压的差，得出当前的误差，传输至PID控制模块；

[0010] 所述PID控制模块，包括差模PID控制单元、共模PID控制单元，用于确定输出电压误差值，并得到下一开关周期的占空比值，确定开关管的通断；

[0011] 所述CCB换序控制模块，当输入电压发生变化时，系统启用CCB换序控制模块，通过增加输入功率或者减少输入功率，让系统回归到稳态；

[0012] 所述PWM模块，根据占空比的值，输出相应的PWM信号；

[0013] 所述门级驱动逻辑电路，根据PWM信号驱动拓扑结构中开关管的通断状态，来调节输出电压值。

[0014] 进一步地，该变换器的拓扑结构如下：

[0015] 输入电压为Vin，1支路输出电压为Vo1，2支路输出电压为Vo2，开关周期为TS,主开关管Si的导通占空比为Di，1支路开关管S1的导通占空比为D1，2支路开关管S2的导通占空比为D2，其中：

[0016] 主开关管Si的一端与输入电压Vin的正端相连，主开关管Si的另一端与电感L一端相连；电感L的另一端连接1支路开关管S1和2支路开关管S2，1支路开关管S1的另一端与第一电容C1和第一负载电阻R1连接，2支路开关管S2的另一端与第二电容C2和第二负载电阻R2连接；第一电容C1的另一端和第一负载电阻R1的另一端连接在一起并接地，第二电容C2的另一端和第二负载电阻R2的另一端连接在一起并接地；在两条支路中，1支路先于2支路工作并且两路的工作时序互补，即：D1+D2＝1。

[0017] 进一步地，所述A/D转换模块的输出端连接PID控制模块的两个输入端，PID控制模块的另外两个输入端是共模参考电压Vcmref和差模参考电压Vdmref；

[0018] 所述差模PID控制单元中的两个输入端分别连接A/D采样转换单元输出的1支路输出电压值Vo1[k]和2支路输出电压Vo2[k]，另一个输入端连接差模参考电压信号Vdmref；差模PID控制单元输出的两个离散占空比信号D1、D2，与PWM模块的输入端相连；共模PID控制单元的两个输入端分别连接A/D采样转换单元输出的1支路数字输出电压值Vo1[k]、2支路数字输出电压值Vo2[k]，另一个输入端连接共模参考电压信号Vcmref；共模PID控制单元输出的离散占空比信号Di与PWM模块的输入端相连；PWM模块输出的PWM 控制信号分别连接主开关管Si、1支路开关管S1和2支路开关管S2。

[0019] 一种SIDO Buck开关变换器的数字控制方法，包括以下步骤：

[0020] 步骤1、在第k个开关周期的初始，分别采样SIDO Buck开关变换器的1支路模拟输出电压Vo1、2支路模拟输出电压值Vo2，经过A/D转换模块转换得到相应的数字离散输出电压值Vo1[k]、Vo2[k]；

[0021] 步骤2、将第k周期的1支路输出电压Vo1[k]、2支路输出电压值Vo2[k]的运算结果Vd[k]，与差模参考电压信号Vdmref进行比较，得到电压误差值ΔVd[k]；差模PID控制单元根据ΔVd[k]以及前两个周期的电压误差值ΔVd[k-1]、ΔVd[k-2]，用预设的比例控制系数Kp、积分控制系数Ki和微分控制系数Kd的值作为控制参数执行PID控制算法，输出占空比D1与D2；

[0022] 步骤3、将第k周期的1支路输出电压Vo1[k]、2支路输出电压值Vo2[k]的运算结果Vc[k]与共模参考电压信号Vcmref进行比较，得到电压误差值ΔVc[k]，共模PID控制单元根据ΔVc[k]以及前两个周期的电压误差值ΔVc[k-1]、ΔVc[k-2]，以预设的比例控制系数Kp，积分控制系数Ki和微分控制系数Kd的值作为控制参数执行PID控制算法，输出主开关管Si的占空比Di；

[0023] 步骤4、PID控制模块将占空比信号传输至PWM模块，输出相应的驱动信号Di,D1,D2，分别传输到主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2，以此来调节模拟输出电压值Vo1[t]与Vo2[t]；

[0024] 步骤5、将SIDO Buck开关变换器主拓扑结构的支路模拟输出电压经A/D采样转换单元再次采样转换，依次经过PID控制模块、PWM模块，形成新的PWM信号控制主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2，循环控制以调节1支路输出电压值Vo1、2支路输出电压值Vo2；

[0025] 步骤6、当输入电压发生变化时，系统进入CCB换序控制模块，此时主开关管Si，1支路开关管S1，2支路开关管S2的导通时间及次序发生改变；在CCB换序计算模块中，根据输入电压突变前后采样的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出换序持续时间TC，以及换序期间1支路开关管S1的导通占空比D1和2支路开关管S2的导通占空比D2；在整个换序充电期间，当输入电压发生正的阶跃时，将主开关管Si设置为断开状态，减少输入功率；反之，当输入电压发生负的阶跃时，将主开关管Si设置为闭合状态，增加输入功率；

[0026] 步骤7、进行新稳态计算：根据采样模块获得的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出主开关管Si的导通占空比Di、1支路开关管S1的导通占空比D1，2支路开关管S2的导通占空比D2，然后将计算出来的占空比经过PWM模块生成PWM信号，控制开关管的导通，从而达到稳态；

[0027] 步骤8、换序控制结束以后，各开关管的导通占空比为新稳态下的值，此时控制系统切换为到常规的PID控制，再经由PID控制模块进行调节，使得系统最终达到新稳态；

[0028] 步骤9、再次对输出电压进行采样，重复步骤1～步骤8进行循环控制开关电源功率管的导通与关断。

[0029] 进一步地，步骤3所述的将第k周期的1支路输出电压Vo1[k]、2支路输出电压值Vo2[k]的运算结果Vc[k]与共模参考电压信号Vcmref进行比较，得到电压误差值ΔVc[k]，共模PID控制单元根据ΔVc[k]以及前两个周期的电压误差值ΔVc[k-1]、ΔVc[k-2]，以预设的比例控制系数Kp，积分控制系数Ki和微分控制系数Kd的值作为控制参数执行PID控制算法，输出主开关管Si的占空比Di，具体如下：

[0030] 步骤3.1、当执行机构需要的是控制量的增量时，采用增量式PID控制，根据递推原理得到：

[0031] Δu(k)＝kp[error(k)-error(k-1)]+kierror(k)+kd[error(k)-2error(k-1)+error(k-2)] (1)

[0032] 式中kp是比例控制系数，ki是积分控制系数，kd是微分控制系数，error(k)是第k个周期时u(k)与u(k-1)的差值；

[0033] 步骤3.2、设定各元器件均是理想的，即不考虑开关管的导通压降，电感和电容的寄生电阻；

[0034] 差模PID控制单元流程如下：首先将第k周期数字离散输出电压值Vo1[k]和Vo2[k]作为差模PID控制单元的输入信号，差模PID控制单元根据Vo1[k]和Vo2[k]的运算结果Vd[k]与参考电压Vdmref，进行迭代运算，得到支路开关管导通占空比值，具体单次迭代计算过程如下：

[0035] ΔVd[k-2]＝ΔVd[k-1] (2)

[0036] ΔVd[k-1]＝ΔVd[k] (3)

[0037] ΔVd[k]＝Vdmref-Vd[k] (4)

[0038] ΔD＝kp(ΔVd[k]-ΔVd[k-1])+kiΔVd[k]+kd(ΔVd[k]-2ΔVd[k-1]+ΔVd[k-2]) (5)[0039] D1[k]＝D1[k-1]+ΔD (6)

[0040] D2[k]＝1-D1[k] (7)

[0041] 其中，ΔD是第k个周期1支路开关导通占空比与第k-1个周期1支路开关导通占空比的差值，D1[k]是第k个周期的1支路开关的占空比值，D2[k]是第k个周期的2支路开关的占空比值，ΔVd[k]为差模信号的误差，Kp、Ki、Kd分别为PID系数；

[0042] 共模PID控制单元流程如下：首先将第k周期数字离散输出电压值Vo1[k]和Vo2[k]作为共模PID控制单元的输入信号，共模PID控制单元根据Vo1[k]和Vo2[k]的运算结果Vc[k]与参考电压Vcmref，进行迭代运算，得到主开关管导通占空比值；具体单次迭代计算过程如下：

[0043] ΔVc[k-2]＝ΔVc[k-1] (8)

[0044] ΔVc[k-1]＝ΔVc[k] (9)

[0045] ΔVc[k]＝Vcmref-Vc[k] (10)

[0046] ΔD＝kp(ΔVc[k]-ΔVc[k-1])+kiΔVc[k]+kd(ΔVc[k]-2ΔVc[k-1]+ΔVc[k-2]) (11)[0047] Di[k]＝Di[k-1]+ΔD (12)

[0048] 其中，ΔD是第k个周期主开关导通占空比与第k-1个周期主开关导通占空比的差值，Di[k]是第k个周期的主开关的占空比值，ΔVc[k]为共模信号的误差，Kp、Ki、Kd分别为PID系数。

[0049] 进一步地，步骤6所述的当输入电压发生变化时，系统进入CCB变频控制模块，此时主开关管Si，1支路开关管S1，2支路开关管S2的导通时间及先后顺序发生改变；在CCB换序计算模块中，根据输入电压突变前后采样的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出换序持续时间TC，以及变频期间1支路开关管S1的导通占空比D1和2支路开关管S2的导通占空比D2；在整个换序期间，当输入电压发生正的阶跃时，将主开关管Si设置为断开状态，从而达到减少输入功率的效果，反之，当输入电压发生负的阶跃时，将主开关管Si设置为导通状态，从而达到增加输入功率的效果，具体如下：

[0050] 换序期间，主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2的导通时间全部发生改变；支路开关管的导通占空比D1、D2和换序时间Tc根据支路的电容充放电平衡以及采样的负载电流计算得到，公式为：

[0051] Ivnew-Iv＝-Vo2/L*Tc (13)

[0052] io1*D2＝0.5*D1*(ivnew-io1+ivnew-io1+D1*Ts*(Vin-Vo1)/L)) (14)[0053] 其中ivnew是输入电压发生变化以后的电感谷值电流。

[0054] 进一步地，步骤7所述进行新稳态计算：根据采样模块获得的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出主开关管Si的导通占空比Di、1支路开关管S1的导通占空比D1，2支路开关管S2的导通占空比D2，然后将计算出来的占空比经过PWM模块生成PWM信号，控制开关管的导通，从而达到稳态，公式为：

[0055] Ipnew-Ivnew＝D1*Ts*(Vin-Vo1)/L+(Di-D1)*Ts*(Vin-Vo2)/L (15)。

[0056]

[0057] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)有效提高了系统集成度，降低了硬件电路面积和成本；(2)采用数字控制实现方式，与模拟控制相比更为灵活，可重构性更强；(3)提出的换序控制技术，使得暂态条件下调节时间和电压超调为最小；(4)可以扩展应用于各类开关电源电路结构，具备很强的移植性和通用性；(5)实现了工作电压的快速动态调节，并有效抑制了交叉干扰，从而降低功耗并提高能源转换效率。
附图说明

[0058] 图1是本发明SIDO Buck开关变换器的系统结构框图。

[0059] 图2是本发明SIDO Buck开关变换器的主拓扑结构图。

[0060] 图3是本发明SIDO Buck开关变换器的数字控制方法中的差模PID模块框图。

[0061] 图4是本发明SIDO Buck开关变换器的数字控制方法中的共模PID模块框图。

[0062] 图5是本发明中输入电压发生变化时变换器系统的动态响应示意图。

[0063] 图6是本发明中支路输出电压在常规PID控制下的动态响应图，其中(a)是1支路输出电压在常规PID控制下的动态响应图，(b)是2支路输出电压在常规PID控制下的动态响应图。

[0064] 图7是本发明中支路输出电压在本发明控制方法下的动态响应图，其中(a)是1支路输出电压在本发明控制方法下的动态响应图，(b)是2支路输出电压在本发明控制方法下的动态响应图。

具体实施方式

[0065] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0066] 本发明提出了一种新型SIDO开关变换器及其工作方法，通过周期时间内分时复用同一个电感以及变频控制策略实现两路电压稳定输出，通过借助增量式PID控制算法并选取了差模、共模电压控制结合的方法，对两路输出电压进行实时调节，达到预设的电压参考值。

[0067] 结合图1，实线箭头是正常工作模式下的控制环路的信号流程。本发明提出的SIDO Buck开关变换器，包括采样模块、A/D转换模块、误差计算模块、PID控制模块、CCB换序控制模块、门级驱动逻辑电路以及PWM模块，其中：

[0068] 所述采样模块，用于将输出信号从连续时间域上的模拟信号，转换成离散时间域上的离散信号；

[0069] 所述A/D转换模块，用于将采样模块采集到的模拟信号转换成数字信号，输入至误差计算模块；

[0070] 所述误差计算模块，接收采样模块输出的离散信号，计算共模参考电压与共模输出电压的差，以及差模参考电压与差模输出电压的差，得出当前的误差，传输至PID控制模块；

[0071] 所述PID控制模块，包括差模PID控制单元、共模PID控制单元，用于确定输出电压误差值，并得到下一开关周期的占空比值，确定开关管的通断；

[0072] 所述CCB换序控制模块，当输入电压发生变化时，系统启用CCB换序控制模块，通过增加输入功率或者减少输入功率，让系统回归到稳态；

[0073] 所述PWM模块，根据占空比的值，输出相应的PWM信号；

[0074] 所述门级驱动逻辑电路，根据PWM信号驱动拓扑结构中开关管的通断状态，来调节输出电压值。

[0075] 结合图2，输入电压为Vin，采样模块的输入是1支路输出电压为Vo1和2支路输出电压为Vo2，开关周期为TS,PWM模块产生主开关管Si的导通占空比为Di，1支路开关管S1的导通占空比为D1，2支路开关管S2的导通占空比为D2，其中：

[0076] 主开关管Si的一端与输入电压Vin的正端相连，主开关管Si的另一端与电感L一端相连；电感L的另一端连接1支路开关管S1和2支路开关管S2，1支路开关管S1的另一端与第一电容C1和第一负载电阻R1连接，2支路开关管S2的另一端与第二电容C2和第二负载电阻R2连接；第一电容C1的另一端和第一负载电阻R1的另一端连接在一起并接地，第二电容C2的另一端和第二负载电阻R2的另一端连接在一起并接地；在两条支路中，1支路先于2支路工作并且两路的工作时序互补，即：D1+D2＝1。

[0077] 进一步地，A/D转换模块的输入端为采样电感L的电流值iL[t]、1支路负载电阻R1的电压值Vo1[t]和电流值Io1[t]、2支路负载电阻R2的电压值Vo2[t]和电流值Io2[t]，输出端作为PID控制模块的输入端，PID控制模块的另外两个输入端是共模参考电压Vcmref和差模参考电压Vdmref。

[0078] 进一步地，PID控制模块包括差模PID控制单元、共模PID控制单元。差模PID控制单元中的两个输入端分别连接A/D采样转换单元输出的1支路输出电压值Vo1[k]和2支路输出电压Vo2[k]，另一个输入端连接差模参考电压信号Vdmref；差模PID控制单元输出的两个离散占空比信号D1、D2，与PWM模块的输入端相连；共模PID控制单元的两个输入端分别连接A/D采样转换单元输出的1支路数字输出电压值Vo1[k]、2支路数字输出电压值Vo2[k]，另一个输入端连接共模参考电压信号Vcmref；共模PID控制单元输出的离散占空比信号Di与PWM模块的输入端相连；PWM模块输出的PWM控制信号分别连接主开关管Si、1支路开关管S1和2支路开关管S2。

[0079] 一种SIDO Buck开关变换器的数字控制方法为：首先A/D采样转换单元分别对SIDO Buck开关变换器主拓扑结构的1支路输出电压值Vo1、2支路输出电压值Vo2和电感电流值iL以及两条支路的负载电流io1、io2进行采样，经过A/D转换模块分别转换为1支路数字输出电压值Vo1[k]与输出电流值io1[k]、2支路数字输出电压值Vo2[k]与输出电流值io2[k]、数字电感电流值iL[k]；然后共模PID控制单元将共模电压值VC[k]与共模参考电压信号Vcmref比较得到电压误差值ΔVC[k]、差模PID控制单元将差模电压值VD[k]与差模参考电压信号Vdmref比较得到电压误差值ΔVD[k]；接着差模PID控制单元、共模PID控制单元分别执行PID控制算法，输出相应的占空比值；最后占空比值经过PWM单元输出PWM控制信号，驱动SIDO Buck开关变换器主拓扑结构中的开关管的状态来调节1支路与2支路的模拟输出电压值Vo1[t]、Vo2[t]；具体方法是：

[0080] 步骤1、在第k个开关周期的初始，分别采样SIDO Buck开关变换器的1支路模拟输出电压Vo1、2支路模拟输出电压值Vo2，经过A/D转换模块转换得到相应的数字离散输出电压值Vo1[k]、Vo2[k]；

[0081] 步骤2、将第k周期的1支路输出电压Vo1[k]、2支路输出电压值Vo2[k]的运算结果Vd[k]，与差模参考电压信号Vdmref进行比较，得到电压误差值ΔVd[k]；差模PID控制单元根据ΔV[k]以及前两个周期的电压误差值ΔVd[k-1]、ΔVd[k-2]，用预设的Kp，Ki和Kd值作为控制参数执行PID控制算法，输出占空比D1与D2；

[0082] 步骤3、将第k周期的1支路输出电压Vo1[k]、2支路输出电压值Vo2[k]的运算结果Vc[k]与共模参考电压信号Vcmref进行比较，得到电压误差值ΔVc[k]，共模PID控制单元根据ΔVc[k]以及前两个周期的电压误差值ΔVc[k-1]、ΔVc[k-2]，以预设的Kp，Ki和Kd值作为控制参数执行PID控制算法，输出主开关管Si的占空比Di；具体如下：

[0083] 步骤3.1、当执行机构需要的是控制量的增量时，采用增量式PID控制，根据递推原理可以得到:

[0084] Δu(k)＝kp[error(k)-error(k-1)]+kierror(k)+kd[error(k)-2error(k-1)+error(k-2)] (1)

[0085] 步骤3.2、设定各元器件均是理想的，即不考虑开关管的导通压降，电感和电容的寄生电阻；

[0086] 结合图3，差模PID控制单元流程如下：首先将第k周期数字离散输出电压值Vo1[k]和Vo2[k]作为差模PID控制单元的输入信号，差模PID控制单元根据Vo1[k]和Vo2[k]的运算结果Vd[k]与参考电压Vdmref，进行迭代运算，得到支路开关管导通占空比值。具体单次迭代计算过程如下：

[0087] ΔVd[k-2]＝ΔVd[k-1] (2)

[0088] ΔVd[k-1]＝ΔVd[k] (3)

[0089] ΔVd[k]＝Vdmref-Vd[k] (4)

[0090] ΔD＝kp(ΔVd[k]-ΔVd[k-1])+kiΔVd[k]+kd(ΔVd[k]-2ΔVd[k-1]+ΔVd[k-2]) (5)[0091] D1[k]＝D1[k-1]+ΔD (6)

[0092] D2[k]＝1-D1[k] (7)

[0093] 其中ΔVd[k]为差模信号的误差，Kp、Ki、Kd分别为PID系数；

[0094] 结合图4，共模PID控制单元流程如下：首先将第k周期数字离散输出电压值Vo1[k]和Vo2[k]作为共模PID控制单元的输入信号，共模PID控制单元根据Vo1[k]和Vo2[k]的运算结果Vc[k]与参考电压Vcmref，进行迭代运算，得到主开关管导通占空比值；具体单次迭代计算过程如下：

[0095] ΔVc[k-2]＝ΔVc[k-1] (8)

[0096] ΔVc[k-1]＝ΔVc[k] (9)

[0097] ΔVc[k]＝Vcmref-Vc[k] (10)

[0098] ΔD＝kp(ΔVc[k]-ΔVc[k-1])+kiΔVc[k]+kd(ΔVc[k]-2ΔVc[k-1]+ΔVc[k-2]) (11)[0099] Di[k]＝Di[k-1]+ΔD (12)

[0100] 其中ΔVc[k]为共模信号的误差，Kp、Ki、Kd分别为PID系数。

[0101] 步骤4、PID控制模块将占空比信号传输至PWM模块，输出相应的驱动信号Di,D1,D2，分别传输到主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2，以此来调节模拟输出电压值Vo1[t]与Vo2[t]；

[0102] 步骤5、将SIDO Buck开关变换器主拓扑结构的支路模拟输出电压经A/D采样转换单元再次采样转换，依次经过PID控制模块、PWM模块，形成新的PWM信号控制主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2，循环控制以调节1支路输出电压值Vo1、2支路输出电压值Vo2；

[0103] 步骤6、当输入电压发生变化时，系统进入CCB变频控制模块，此时主开关管Si，1支路开关管S1，2支路开关管S2的导通时间及先后顺序发生改变；在CCB换序计算模块中，根据输入电压突变前后采样的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出换序持续时间TC，以及变频期间1支路开关管S1的导通占空比D1和2支路开关管S2的导通占空比D2；在整个换序期间，当输入电压发生正的阶跃时，将主开关管Si设置为断开状态，从而达到减少输入功率的效果，反之，当输入电压发生负的阶跃时，将主开关管Si设置为导通状态，从而达到增加输入功率的效果；

[0104] 结合图5，换序期间，主开关管Si、1支路开关管S1、2支路开关管S2的导通时间全部发生改变；支路开关管的导通占空比D1、D2和换序时间Tc根据支路的电容充放电平衡以及采样的负载电流计算得到，公式为：

[0105] Ivnew-Iv＝-Vo2/L*Tc (13)

[0106] io1*D2＝0.5*D1*(ivnew-io1+ivnew-io1+D1*Ts*(Vin-Vo1)/L)) (14)[0107] 其中ivnew是输入电压发生变化以后的电感谷值电流。

[0108] 步骤7、在CCB换序计算模块完成后，进入新稳态计算步骤，根据采样模块获得的电感电流iL和两条支路的负载电流io1、io2计算出主开关管Si的导通占空比Di、1支路开关管S1的导通占空比D1，2支路开关管S2的导通占空比D2，然后将计算出来的占空比经过PWM模块生成PWM信号，通过门级驱动逻辑电路控制开关管的导通，从而快速达到稳态。公式为：

[0109] Ipnew-Ivnew＝D1*Ts*(Vin-Vo1)/L+(Di-D1)*Ts*(Vin-Vo2)/L (15)[0110] 步骤8、换序控制结束以后，各开关管的导通占空比为新稳态下的值，此时控制系统切换为到常规的PID控制，再经由PID模块进行调节，使得系统最终达到新稳态；

[0111] 步骤9、再次对输出电压进行采样，重复步骤1到步骤8进行循环控制开关电源功率管的导通与关断。

[0112] 实施例

[0113] 根据本发明所述的控制方法，在matlab的Simulink环境下进行了模拟仿真。该拓扑的输入电压Vin为3.3V和4.2V，两条支路的负载电阻分别为18Ω、15Ω。1支路的输出电压Vo1为1.8V，2支路的输出电压Vo2为1.5V。图6(a)为输入电压发生变化时1支路输出电压在常规PID控制的动态结果。图6(b)是输入电压发生变化时2支路输出电压在常规PID控制下的动态结果。图7(a)为输入电压发生变化时，采用本控制方法的1支路输出电压动态结果。图7(b)是输入电压发生变化时，在本控制方法下的2支路输出电压动态结果。可以看出，未采用本文的提高动态响应的控制方法前，输出电压最大欠压为0.8V，恢复时间为1.4ms，采用本技术后，输出电压最大欠压为0.02V，恢复时间为0.4ms，动态性能大幅度提升。

[0114] 综上所述，本发明提供一种SIDO Buck开关变换器及数字控制方法，减少了开关变换器两条支路的交叉干扰，提高了开关变换器的动态响应，改善了系统的稳态性能。

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一种SIDO Buck开关变换器及数字控制方法

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一种SIDO Buck 开关变换器及数字控制方法

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