【正文】 （一）立項(xiàng)依據(jù)與研究?jī)?nèi)容 （ 40008000 字）： 1． 項(xiàng)目的立項(xiàng)依據(jù) （研究意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究發(fā)展趨勢(shì)來(lái)論述科學(xué)意義；或結(jié)合國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問(wèn)題來(lái)論述其應(yīng)用前景。附主要參考文獻(xiàn)目錄）； 隨著系統(tǒng)芯片 (SoC)集成更多的功能且采用更為先進(jìn)的工藝，并在各種便攜式電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用，這對(duì)其中關(guān)鍵部件 —電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的模擬控制電源以成本低、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)一直占據(jù)主導(dǎo)地位，模擬電源管理芯片結(jié)合先進(jìn)的環(huán)路控制理論和電路結(jié)構(gòu)， 在集成組合調(diào)制模式下已達(dá)到全負(fù)載條件下較高的性能水平。但由于調(diào)整困難，僅能提供特定功能，使用接口簡(jiǎn)單不適合復(fù)雜電源系統(tǒng)的整合，并且控制回路補(bǔ)償不易調(diào)整，因此難以滿足 SoC 產(chǎn)品發(fā)展中對(duì)電源要求逐步提高的苛刻要求。 因此基于 SoC 的數(shù)字控制 DCDC 變換器 管理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，數(shù)字控制技術(shù)具備很多明顯的優(yōu)勢(shì)： 1)可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)的控制算法，以提高電源轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性以及動(dòng)、靜態(tài)性能； 2)利用軟件技術(shù)或者可編程存儲(chǔ)器改變控制器性能，可以讓基于數(shù)字控制器的系統(tǒng)具備很大的靈活性，設(shè)計(jì)參數(shù)很容易被修改以滿足新的要求； 3)對(duì)器件以 及外圍變化的魯棒性好，解決了電路性能受工藝影響漂移大的難題； 4)優(yōu)良的系統(tǒng)管理和系統(tǒng)連接能力，包括執(zhí)行自我診斷、改變系統(tǒng)設(shè)定、以及在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)升級(jí)和維護(hù)系統(tǒng)的能力。此外，數(shù)字控制 DCDC 變換器 可以采用主流 CMOS 制造工藝，能夠有效的與 SoC 系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫整合集成，更有助于降低成本和縮小體積。因此利用數(shù)字控制 DCDC 變換器 靈活的調(diào)控能力將成為下一代 SoC 芯片的必然選擇。 正是由于數(shù)字控制 DCDC 變換器 眾多的優(yōu)越性和不斷增加的市場(chǎng)需求， 21世紀(jì)初國(guó)外開始研究數(shù)字電源系統(tǒng)。目前在性能上經(jīng)過(guò)眾多研究機(jī)構(gòu)多年努力，取得較大進(jìn)展，但數(shù)字控制 DCDC 變換器 在諸如穩(wěn)定可靠性、精度以及 響應(yīng)速度 方面還不能滿足未來(lái)信息終端產(chǎn)品的應(yīng)用需求。下面從建模理論、控制策略的研究現(xiàn)狀出發(fā)，提出本課題的研究思路： 建模理論研究 通常來(lái)說(shuō)精確的 系統(tǒng) 模型是電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)， 有效而精確的建?？?有效、透徹地了解的系統(tǒng)工作機(jī)理及 揭示系統(tǒng)的各 元件參數(shù)在系統(tǒng)的作用和影響，需要對(duì)功率級(jí)和反饋控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的建模。 而數(shù)字 控制 引入的 極限環(huán)振蕩 、時(shí)延影響等問(wèn)題也給電源的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，已引起設(shè)計(jì)者的高度重視。 實(shí)現(xiàn)離散域中數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)是數(shù)字電源前進(jìn) 的必經(jīng)之路，由 David M. Van deSype 和 Koen De Gusseme 等人提出的數(shù)字控制的小信號(hào) Z 域分析在 Z 域中對(duì) Buck 變換器方法進(jìn)行了建模，有了一個(gè)很好的開始，但提出的方法具有一定的局限性，模型不能應(yīng)用到所有種類的 DCDC 變換器中 [1]。之后出現(xiàn)了由 Dragan Maksimovic 和Regan Zane 提出的小信號(hào)離散建模方法提出的方法可適用于所有 DCDC 變換器的建模方法。遺憾的是，方法沒有得到實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證 [2]。 2022 年根特大學(xué) Gusseme 建立了數(shù)字控制 DCDC 變換器小信號(hào)離散模型，進(jìn)一步分析其穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性 [3]； 2022 年意大利的里雅斯特大學(xué)的 Marco Meola 和 Sergio Carrato 提出了一種新的 DCDC 變換器大信號(hào)離散時(shí)間模型。該大信號(hào)模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)在不同的工作模式下的變換器性能。模型非常適合對(duì)數(shù)字控制的 SMPS 進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)模擬，避免了費(fèi)時(shí)的混合信號(hào)仿真 [4]。 2022 年美國(guó)科羅拉多大學(xué)的 Hao Peng等人 建立 量化效應(yīng)模型，對(duì)包含 量化效應(yīng) 的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型 進(jìn)行推導(dǎo)， 并解釋 極限環(huán) 振 蕩的起源， 發(fā)現(xiàn) DC 環(huán)路增益過(guò) 大 但并不是無(wú)限， 會(huì)產(chǎn)生極限環(huán)震蕩， 而高分辨率 DPWM 可以 改善 這一現(xiàn)象 [5]， Peterchev, . Sanders 于 2022 年提出了數(shù)字控制 DCDC 變換器的離散時(shí)間建模方法，加入積分項(xiàng)到控制規(guī)則中，在一定程度上消除了極限環(huán) 振蕩現(xiàn)象 [6]； 2022 年烏迪內(nèi)大學(xué) W. Stefanutti, D. Trevisan, P. Mattavelli 建立了含有 PID 結(jié)構(gòu)的電壓模式控制的變換器模型，使用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)極限環(huán)振蕩進(jìn)行預(yù)測(cè) [7]； 2022 年 加利福利亞 大學(xué) Peterchev ., Sanders .研究了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） 和數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器（ DPWM）的量化誤差對(duì) DCDC變換器的影響，并給出了避免極限環(huán)發(fā)生的三個(gè)判斷條件 [8]；杜克大學(xué) Bibian. S已 給出了數(shù)字控制 DCDC 變換器 的時(shí)延補(bǔ)償研究，提出了基于線性外插法的預(yù)測(cè)方法， 通過(guò) 提高控制回路帶寬 的方式來(lái)消除時(shí)延影響 [9]；同年，伯克利大學(xué)Stefanutti. W 等分析了時(shí)延對(duì)數(shù)字控制 DCDC 變換器的影響，提出了全新的基于變換器狀態(tài)變量的能量增量的極限環(huán)預(yù)測(cè)方法，減小了極限環(huán)振蕩的產(chǎn)生概率[10]； 2022 年烏迪內(nèi)大學(xué) Tedeschi. E 等提出了使用電感電流 預(yù)測(cè)法減少量化效應(yīng)的方法 [11]； 2022 年都柏林大學(xué) Mark Bradley 等人研究了含有 PI 的數(shù)字控制DCDC 降壓變換器的極限環(huán)振蕩現(xiàn)象，提出了通過(guò)調(diào)整增益參數(shù)避免極限環(huán)振蕩的方法 [12]。我國(guó)臺(tái)灣的 YuChi Huang 給出了輸入電壓變化、死區(qū)時(shí)間控制、切換頻率變化、 DPWM 延遲幾種情況引起極限環(huán)產(chǎn)生的 現(xiàn)象，但沒有定量分析其產(chǎn)生機(jī)理 [13]。 可以看出： 目前大量的研究還是集中 理想情況下的 數(shù)字控制 DCDC 變換器的建模以及 單個(gè)量化效應(yīng)或時(shí)延補(bǔ)償?shù)难芯?， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）和數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器（ DPWM）的不匹配量化誤差引起的極限環(huán)振蕩現(xiàn)象，缺少精確的非線性 理論模型，導(dǎo)致與實(shí)際情況偏差較大，影響其穩(wěn)定性與可靠性 的進(jìn)一步提高 。 控制算法研究 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)方法的改進(jìn)，在 DCDC 變換器控制策略的研究方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，許多 靈活 的智能控制方法 也得到應(yīng)用。眾多研究表明采用諸如改進(jìn)的 PID 線性控制以及預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制的非線性控制等先進(jìn)算法，可以顯著提高電 源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能 ，表 1 是近年來(lái)DCDC 變換器 中常見的控制策略 。 表 1 現(xiàn)有的主要控制算法 補(bǔ)償算法 特點(diǎn) PID 優(yōu) 點(diǎn)：算法成熟簡(jiǎn)單，可消除靜態(tài)誤差 缺點(diǎn)：需要精確的數(shù)學(xué)模型，且對(duì)非線性系統(tǒng)控制效果不理想；且不能 根據(jù)情況在線調(diào)整增益參數(shù) PID 基因算法 優(yōu)點(diǎn)：可以更合理的計(jì)算出 PID 系數(shù) 缺點(diǎn)：計(jì)算量較大，不適用于在線計(jì)算 預(yù)測(cè)控制 由于系統(tǒng)中存在一定的延時(shí)，故在控制策略中增加預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)，解決時(shí)延問(wèn)題，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性 Sliding 滑模 優(yōu)點(diǎn)：控制不受系統(tǒng)本身和外界擾動(dòng)的影響 缺點(diǎn)：由于自身的缺陷會(huì)發(fā)生抖振現(xiàn)象，增大了輸出電壓的紋波 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制算法 優(yōu)點(diǎn)：具有非線性映像能力、自學(xué)習(xí)適應(yīng)能力、聯(lián)想記憶能力 ，并行信息處理方式及其優(yōu)良的容錯(cuò)性能 缺點(diǎn)：學(xué)習(xí)過(guò)程收斂速度慢，訓(xùn)練易陷入癱瘓；訓(xùn)練過(guò)程易陷入局部極小值；網(wǎng)絡(luò)泛化能力差 遺傳算法 優(yōu)點(diǎn)：具有堅(jiān)實(shí)的生物學(xué)基礎(chǔ)，鮮明的認(rèn)知學(xué)意義，廣泛的應(yīng)用價(jià)值，適用于解決復(fù)雜的非線性和多維空間尋優(yōu)問(wèn)題 缺點(diǎn)：局部搜索能力差、存在未成熟收斂和隨機(jī)游走等問(wèn)題，導(dǎo)致算法的收斂性能差，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能找到最優(yōu)解等問(wèn)題 模糊算法 優(yōu)點(diǎn)：不需要被控對(duì)象有精確的數(shù)學(xué)模型，且適用于非線性系統(tǒng)的控制中；有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，魯棒性較強(qiáng) 缺點(diǎn)：規(guī)則庫(kù)及邊界條件不易確定；且缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 自適應(yīng)PID PID 進(jìn)行基本的控制， Fuzzy 對(duì) PID 控制器的增益進(jìn)行控制，融合了兩種控制的優(yōu)點(diǎn)。具有很好的魯棒性和抗干擾能力 單輸入 模糊算法 具有模糊控制特點(diǎn)，同時(shí)由于單輸入模糊控制規(guī)則條數(shù)較少，其設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)、硬件實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單 可以看出：由于 DCDC 變換器本質(zhì)上是一個(gè) 強(qiáng) 非線性 時(shí)變系統(tǒng) ，供電系統(tǒng)輸入電壓變化 、負(fù)載變化以及外界干擾的不確定性， 使得模糊控制算法以及與之相結(jié)合的方法得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，逐漸顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。 2022 年美國(guó) 奧本大學(xué) 的 Liping Guo 設(shè)計(jì)了應(yīng)用于 DCDC 升壓轉(zhuǎn)換器的 PID控制和模糊控制 ,并比較了這兩種控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明模糊控制相對(duì)于 PID控制可以達(dá)到更快的瞬態(tài)響應(yīng) ,較小的超調(diào) ,更好的負(fù)載擾動(dòng)抵抗能力 [14]。 2022 年馬來(lái)西亞 工藝大學(xué) 的 Nik Fasdi Nik Ismail 設(shè)計(jì)了 DCDC 的BuckBoost 轉(zhuǎn)換器的 PID 控制和模糊控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示模糊控制在此BuckBoost 轉(zhuǎn)換器中其啟動(dòng)速度、超調(diào)量、抗負(fù)載擾動(dòng)能力都優(yōu)于 PID 控制 [15]。 2022 年韓國(guó) 東國(guó)大學(xué) 的 給出了 DCDC 控制器的精確魯棒控制的模糊 PID 控制器的設(shè)計(jì)，使用精確 的數(shù)學(xué)矩陣模型方法對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)比較了模糊 PID 控制與模糊控制。模糊 PID 控制相對(duì)于模糊控制具有較快的響應(yīng)速度，幾乎為零的超調(diào)量，較強(qiáng)的瞬態(tài)響應(yīng)能力 [16]。 2022 年孟加拉國(guó) 大學(xué) 的 Mamun Rabbani 設(shè)計(jì)比較了 DCDC 降壓轉(zhuǎn)換器的模糊控制與模糊 PID 控制兩種控制方法的控制效果。測(cè)試結(jié)果為：模糊控制的峰值時(shí)間為 、上升時(shí)間為 、超調(diào)為 %；模糊 PID 控制峰值時(shí)間為、上升時(shí)間為 、超調(diào)為 7%.可見模糊 PID 控制比模糊控制有更好的控制效果 [17]。 2022年馬來(lái)西亞 工藝大學(xué) 的 Ayob 制方法分析，介紹了基于符號(hào)距離法的單輸入模糊控制理論設(shè)計(jì)方法，單輸入模糊控制方法與傳統(tǒng)模糊控制方法相比，其模糊規(guī)則條數(shù)大大減小，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單 [18]。 2022 年他們?cè)O(shè)計(jì)了基于 FPGA 的單輸入模糊邏輯控制 (SIFLC)，并把它應(yīng)用于升壓 DCDC 功率轉(zhuǎn)換器中。實(shí)驗(yàn)比較了單輸入模糊控制與傳統(tǒng)模糊控制兩種控制方法，實(shí)驗(yàn)顯示 在大的擾動(dòng)下， 單輸入模糊控制與模糊控制具有相似的控制效果 [19][20]。 由上面的分析可見在 PID、模糊、模糊 PID 控制算法中 ,模糊 PID 具有最優(yōu)的控制效果，而單輸入模糊控制與模糊控制具有類似的控制效果，又由于單輸入模糊控制具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)、所以 本課題中 我們擬采用單輸入模糊控制與PID 控制結(jié)合的控制方法，即提出單輸入模糊 PID 控制方法。 更好地兼顧模糊與PID 控制的各自優(yōu)點(diǎn) ，并能實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)效果。 國(guó)內(nèi)近年也開展了對(duì)于數(shù)字控制 DCDC 變換器 的研究，復(fù)旦大學(xué)微電子實(shí)驗(yàn)室依托 2022 年國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，對(duì)數(shù)字 DCDC 變換器 控制集成電路的控制算法、關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。電子科技大學(xué)與東南大學(xué)合作，依托 2022 年國(guó)家核高基項(xiàng)目，對(duì)數(shù)字 DCDC 變換器 與 SoC 集成接口方法 、數(shù)字控制方法 等進(jìn)行了研究。 西南交通大學(xué)開展了低頻振蕩現(xiàn)象以及脈沖控制方法的研究， 西安交通大學(xué)進(jìn)行了數(shù)字控制 DCDC 變換器中低頻振蕩現(xiàn)象分析，在考慮采樣保持器的作用下，建立了數(shù)字控制 DCDC 變換器系統(tǒng)的 z 域模型，由此揭示了系統(tǒng)發(fā)生低頻分岔現(xiàn)象的原因 [21]，重慶大學(xué) 開展了 延遲離散模型的研究， 建立包含延時(shí)在內(nèi)的數(shù)字控制 DC DC 變換器的小信號(hào)離散模型，得出延時(shí)使系統(tǒng)帶寬下降，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度明顯變差的結(jié)論 [22]， 清華大學(xué)、華 南理工大學(xué)等也發(fā)表過(guò)相關(guān)文章 ，均取得一些良好的結(jié)果。 我們從 2022 年起開展了電源管理芯片的研究，進(jìn)行了建模研究以及高效率DCDC 變換器芯片的研發(fā) ，主要工作有：先后開展了 一種基于相加電流模式的DCDC 轉(zhuǎn)換器的研究 ， 完成 全負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率的 DCDC 轉(zhuǎn)換器芯片設(shè)計(jì) ，帶紋波控制的全載高效率 DCDC 變換器的設(shè)計(jì) 以及 一種 PWM/LDO 雙模同步降壓型穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì) 。 2022 年開始了 數(shù)字控制 DCDC 變換器 的研究 ，并在 2022年參與了 國(guó)家“核高基”“數(shù)字輔助功率集成技術(shù)研究”。項(xiàng)目研發(fā)中重點(diǎn)關(guān)注數(shù)字 DCDC 變換器中的非線性效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理與解決方法，在 2022 年實(shí)驗(yàn)室自建項(xiàng)目中重點(diǎn)關(guān)注了電源專用 PMBuS 接口的數(shù)據(jù)交互及處理功能。 2022 年又開展了基于 數(shù)字 DCDC 變換器的模糊 控制 算法以及用于單相 Boost PFC 的數(shù)字預(yù)測(cè)算法的研究 [23]。并完成一種數(shù)字控制可變輸出 DCDC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。在 DCDC轉(zhuǎn)換器的研究上具有一定的基礎(chǔ)。 綜上所述， 數(shù)字控制 DCDC 變換器變換器具有眾多優(yōu)勢(shì)，符合未來(lái) SoC集成電源的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)于數(shù)字控制 DCDC 變換器的建模及非線性效應(yīng)分析，盡管國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)給出了系統(tǒng)的大信號(hào)和小信號(hào)等效模型，但迄今為止，對(duì)數(shù)字 DCDC 變換器系統(tǒng)諸如有限環(huán)振蕩的產(chǎn)生本質(zhì)只是一個(gè) 比較 粗淺的探索，沒有建立一個(gè)全面考慮 非線性效應(yīng)及寄生參數(shù)的完整和精確的非線性理論模型指導(dǎo)設(shè)計(jì)。同時(shí)在算法研究中，復(fù)雜負(fù)載變化下的控制精度與響應(yīng)等性能還有待進(jìn)一步提高。 本課題將采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，集理論 建模 與 控制 算法研究、電路設(shè)計(jì)