[发明专利]一种动态响应优化的开关电源控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及开关电源的控制方法，尤其涉及一种动态响应优化的开关电源控制方法，属于开关电源技术领域。

背景技术

在开关电源领域，动态响应是评估开关电源性能的一个重要指标，改善数字电源的控制方法可以提高电源的动态响应能力。决定开关电源的动态响应性能的一个重要影响因素就是开关电源中的PID控制模块。PID控制模块的两个重要因素影响了系统的动态响应性能，一是PID控制模块的各项参数，包括比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd。二是PID控制模块的实现方式。

传统的PID实现方式是利用微控制器中的计算单元来实现的，即系统根据运行时所采集到的相关系统数据如输出电压，根据PID控制模块的各项参数，根据公式来计算出下一周期所需要的控制量。但是由于数字控制相对于传统的模拟控制存在着其特有的数字环路延迟。总的数字控制环路延迟包括ADC采样与转换时间、PID计算时间、PWM输出延迟、晶体管切换时间、和PID执行速度时期之和。其中ADC采样与转换时间的典型值为500纳秒，PID计算时间的典型值为1微秒，PID执行速度时期典型值为2微秒。所以PID控制模块中控制量计算的过程占据了数字控制环路控制延迟的一大部分。如果考虑数字控制环路所带来的延时的影响，可能会造成当前计算出控制量已经不适用于当前情况的现象，从而导致系统的失调。所以在采用数字控制的时候就需要我们尽可能的缩短数字控制所带来的环路延时。同时，在数字控制中还存在着控制速的问题，低成本的微控制器往往不支持浮点数运算，从而导致控制量的计算不准确，控制波形存在数字控制特有的阶梯状波形，并且低成本的微控制器往往没有浮点数计算单元(FPU)，大大加长了计算过程的耗时，增大了数字控制的环路延时。

除此之外，由于开关电源广泛工作在工业界环境中，其产品需求量大，对于产品的成本较为敏感。为此客户往往需要在产品的成本以及产品的动态响应效果之间进行权衡。为了获得良好的动态响应效果，客户往往需要使用高速支持浮点数的微控制器进行控制以提高控制速，同时还需要高主频的微控制器来加快PID控制模块的计算过程，从而缩短环路延时。但是这些高主频、带有浮点数计算单元的微控制器的单位成本往往较高，无疑提高了最终产品的成本。

根据以上的市场条件以及理论条件，提出一种能够同时保证低成本、控制速度和时间的PID控制模块的实现方法就显得尤为重要，并具有极高的市场意义。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的不足提供一种动态响应优化的开关电源控制方法，能够同时保证低成本和高速度的对开关电源进行控制。

本发明所采取的技术方案如下：一种动态响应优化的开关电源控制方法，其特征在于：基于包括输出电压采样电路、采样放大隔离电路和以微控制器为核心的控制电路构成的控制系统，该控制系统与受控的开关电源构成闭环，输出电压采样电路通过电阻分压采样开关电源的输出电压，经过采样放大隔离电路后输出给以微控制器为控制核心的控制电路，以微控制器为控制核心的控制电路包括AD转换模块、查找表LUT模块、索引生成模块、查找表LUT生成模块和脉冲宽度调制模块，AD转换模块的输入信号为采样放大隔离电路的输出信号，AD转换模块将转换后的输出电压值传输至索引生成模块，索引生成模块根据采样得到的开关电源电路的输出电压值计算得到输出电压误差值、输出电压误差积分值和输出电压误差微分值，并利用这三个值生成三维LUT的索引用来在LUT中查找相对应的控制量，LUT模块中存储的是根据不同的输出电压值、输出电压误差积分值以及输出电压误差微分值组合所对应的利用PID的计算公式计算得出的控制量，LUT生成模块在系统正式工作前，遍历所有可能的输出电压误差值、输出电压积分值、输出电压微分值作为PID计算公式的参数，利用PID计算公式计算这三者的组合所对应的控制变量值，存储在微控制器的内置Flash或者外置Flash中，当LUT生成并存储完毕之后，系统给出开关电源中MOS管的驱动信号，开始正常工作，监控开关电源电路的输出电压值，当该输出电压值与设定值不符时，AD转换模块将该输出电压值传递给索引生成模块，索引生成模块根据输出电压值，计算得出输出电压误差值、输出电压误差积分值、输出电压误差微分值，并将这些值作为查找索引，在Flash中查找得出相对应的控制变量值，最后将控制变量应用于脉冲宽度调制产生模块以调节开关电源的输出电压值。