單電感多輸出直流電源變換器建模及控制方法研究

《單電感多輸出直流電源變換器建模及控制方法研究》是依託東南大學，由陸生禮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：單電感多輸出直流電源變換器建模及控制方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陸生禮
• 依託單位：東南大學

中文摘要

隨著移動網際網路及新型顯示技術的快速發展，現有的電源系統難以適應未來智慧型手機、平板電腦等下一代移動信息終端產品對高集成度和高效率的需求。單電感多輸出直流電源變換技術成為系統晶片集成電源方案的重點研究方向，引起了學術界廣泛的關注。由於該技術利用電感的能量共享會帶來交叉干擾和紋波的增加、轉換效率的降低等系列問題。雖經過多年努力，雙輸出變換器的性能已有明顯提升，僅在輸出動態調整速率方面還有待提高，但對三輸出及以上的變換器，其轉換效率、輸出紋波、交叉干擾等性能依然沒有改善，其根本原因是對單電感多輸出變換器的機理尚清晰。本項目將在課題組對單電感雙輸出變換器研究基礎上，通過深入研究多輸出變換器架構及完整模型、建立精確的系統傳遞函式，探明多輸出變換器的能量轉換機理，通過最佳化結構和元件參數，找到合理的能量轉換控制方法，使各性能指標滿足系統套用的需求，為實現單電感多輸出直流電源變換器全集成的系統晶片奠定基礎。

結題摘要

本項目從單電感多輸出開關電源變換器機理和系統建模出發，從理論角度建立精確係統輸入輸出傳遞函式和環路控制算法，以多路輸出下的高效率、小紋波、低交叉干擾和高轉換速率為回響目標，最佳化系統架構和元件參數，尋找在給定工作電壓、驅動負載等邊界條件下的最優解。根據功率開關管的等效開關模型，建立了考慮功率級寄生參數在內的精確小信號模型，並在此基礎上揭示了變換器隨著輸出路數增加轉換效率降低的機理。建立了提高單電感多輸出變換器綜合性能的理論分析方法和控制方法，完成了一套完整的單電感多輸出開關電源變換器的分析設計方法。 在單電感雙輸出中，主環採用共模電壓控制，次環採用差模電壓控制，有效得抑制了交叉干擾；主環採用無補償的峰值電流型控制方法，次環採用電壓型控制方法，取得了較好的負載調整率和瞬態回響速度。 在單電感四輸出中，由於存在單獨的四路輸出，所以至少需要四個控制環路，主環採用共模電壓控制，三個次環採用差模電壓控制；主環採用無補償的峰值電流型控制方法，次環採用電壓型控制方法，取得了較好的負載調整率和瞬態回響速度。 重點研究了影響效率的因素。功率級開關的增加增大了系統的開關損耗和導通損耗，輕載情況下系統出現的反相電流增大了輕載下的損耗。建立了開關路數增加與效率降低的遞推關係，通過設計合理的驅動和功率開關管合理的尺寸來提高效率。 以上主要研究成果非常適合套用在注重能效比以及高集成度的手持移動終端中，作為核心控制晶片的多路供電，可有效減少電路元器件，從而節省所占面積與成本。由於採用多模式控制，本課題所研究技術在效率方面，尤其是輕載效率提升較為顯著，此外對輸出負載突變的快速動態回響也做了較多的分析與最佳化，適用於類似於給處理器供電這樣負載變化頻繁的套用場合。