基于PSM模式的DC-DC功率變換器非線性建模及集成化設(shè)計(jì).pdf

1、PWM模式DC/DC功率變換器在功率集成電路中的應(yīng)用十分普遍，但是這種調(diào)制模式的功率變換器在輕載下的轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重下降。為了解決此問題，目前功率集成電路中越來越多地采用PSM(PulseSkipModulation)模式DC/DC功率變換器。作為一種新型調(diào)制模式，PSM不同于傳統(tǒng)PWM和PFM調(diào)制，它采用恒頻恒寬控制脈沖，通過調(diào)節(jié)正常工作周期和跨過周期數(shù)目調(diào)節(jié)輸出電壓和電流，其顯著優(yōu)點(diǎn)是輕載下系統(tǒng)具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的EMI水平?；?/p>

2、PWM模式DC/DC功率變換器的非線性建模與非線性現(xiàn)象研究已經(jīng)十分成熟，但是PSM模式DC/DC功率變換器的非線性建模和非線性特性研究尚不深入。 本文主要研究內(nèi)容為功率集成電路中PSM模式DC/DC功率變換器的非線性建模和非線性特性分析，提出并建立PSM功率變換器能量模型、離散模型、平均模型和模糊推理模型，設(shè)計(jì)出PSM功率集成芯片。創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1．首次提出功率變換器的能量模型。能量模型描述相鄰時(shí)鐘周期電容能量狀態(tài)與輸入

3、電源供能之間的關(guān)系，揭示功率變換器的本質(zhì)是能量變換。由能量平衡關(guān)系，建立PSM模式DC/DC功率變換器和PWM模式DC/DC功率變換器的能量模型。根據(jù)所建立的能量模型，進(jìn)行以下三方面的非線性研究： (1)由Boost變換器的能量模型描繪出負(fù)載R變化時(shí)電容能量軌跡圖，定量研究系統(tǒng)輸出電壓周期解隨電阻能量和電容能量變化的動(dòng)態(tài)行為。 (2)由Buck變換器的能量模型描繪出誤差放大器增益Kea變化時(shí)電容能量軌跡圖，得到輸出電壓分

4、岔圖和第一次分岔點(diǎn)位置，研究PWM模式DC/DC功率變換器的非線性分岔和混沌現(xiàn)象。 (3)針對PSM功率變換器輸出電壓紋波大和功率開關(guān)器件實(shí)際工作頻率易于進(jìn)入音頻范圍的缺點(diǎn)，利用能量模型進(jìn)行PSM控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 2．首次建立PSM模式DC/DC功率變換器的離散模型。離散模型是PSM功率變換器的同步開關(guān)映射模型，它描述了相鄰開關(guān)周期輸出電壓的迭代關(guān)系，反映了PSM功率變換器的周期行為，用于分析PSM功率變換器的非線性特

5、性。 (1)由離散模型描繪出負(fù)載電阻R或輸入電壓uin變化時(shí)輸出電壓變化規(guī)律圖，詳細(xì)分析PSM功率變換器的輸出非線性特性，并與PWM功率變換器的分岔和混沌現(xiàn)象進(jìn)行比較，指出二者區(qū)別。 (2)采用FPGA實(shí)現(xiàn)Boost變換器的PSM調(diào)制模式，對實(shí)際電路進(jìn)行測試，驗(yàn)證模型和分析結(jié)果的正確性。 3．建立PSM模式DC/DC功率變換器的平均模型，解決了PSM功率變換器小信號建模問題。 (1)建立PSM模式Boos

6、t變換器的狀態(tài)空間平均方程，得到變換器的直流等效電路模型和交流小信號等效電路模型。 (2)建立PSM模式Buck變換器的平均開關(guān)模型，得到變換器的直流等效電路模型和低頻小信號等效電路模型。 4．根據(jù)模糊控制器的插值機(jī)理，建立FPSM控制器的模糊推理模型，從而解決了FPSM功率變換器的建模問題。 本文在理論上解決了PSM模式DC/DC功率變換器非線性特性研究的關(guān)鍵問題一大信號建模，對于PSM功率變換器在功率集成電路