基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法及装置

技术领域

涉及负载点电源动态响应领域，具体涉及SC-Buck变换器动态响应控制方法。

背景技术

随着芯片工艺制程和处理器性能的不断提高，在数据中心供电系统中，供电电压由3.3V下降到1V甚至几百毫伏，而随着处理数据量的增大，处理器所需电流急剧增加。高性能处理器除了对变换器提出了低压大电流的要求，对其动态响应也提出了更高要求，要求其在负载突变时输出电压波动幅度足够小。

传统的Buck变换器是基于电压模式控制，且频率较低，变换器等效成一个线性系统，采用经典的控制方法对其进行研究。这种PI控制模式在稳态情况下可以维持输出电压稳定，但在负载动态变化时响应不够快，且存在很大的超调，不能满足高性能处理器等负载的要求。

多相交错并联Buck变换器：

伴随数字信号处理器和微处理器的快速发展，常要求其供电电源具有低压大电流和快速动态响应的输出特性。为解决此类应用场合开关电源变换器存在的动态响应慢、输出电流纹波大、热应力分布不均等问题，可采用多相交错并联拓扑结构。交错驱动技术是将多个相同模块并行连接，各模块开关频率相同，但相邻两相驱动信号有2π/N的相角差，这里的N代表变换器并联的相数。图1显示了多相交错并联同步Buck变换器的主功率电路原理图。

与传统单相电路结构相比，多相交错并联技术通过交错叠加相消使得变换器总的输出电感电流纹波小于各相电流纹波。交错并联技术的提出，利于直流开关变换器实现高频化和小型化。同时，可将交错并联技术优势总结如下：

1)在相同开关频率时，交错驱动控制可降低输出纹波，减小电路中无源器件的数量和体积，有利于提高变换器的功率密度。

2)多模块并联系统中，单个模块承担的功率仅为总功率的1/N，利于功率和热量的均匀分布；

3)多相交错并联在保证输出纹波的情况下可以减小电感，同时可以通过多相通路为负载提供能量，提高变换器动态响应。

虽然多相交错并联大大提高了电流输出能力和动态响应能力，但是对于单纯的Buck变换器，其降压比有限，特别是在更高频率的情况下，且各模块不易实现均流。

改进COT控制Buck变换器：

CPU通常由POL(Point Of Load)转换器供电，POL转换器需要遵循严格的自适应电压定位(Adaptive Voltage Positioning，AVP)要求以确保CPU工作在理想状态。对于POL变换器，COT(Constant On Time)控制是一种比较常用的变频电流模式控制，COT控制模式导通时间固定，当系统的输入和输出变化时开关频率随之变化。然而，在负载瞬态上升时，COT控制模式由于恒定导通时间特性响应速度不够快，会导致输出电压下冲或过冲而不能满足供电要求。一种改进COT控制POL变换器结构如图2所示，当负载突变时，通过状态轨迹控制开关管的常开与常关可以实现单周期响应，提高变换器的动态响应。但是其控制较为复杂，且不易并联，不适用于大电流输出场景，模拟器件闭环易受干扰，稳定性较差。

发明内容

为解决现有技术中存在的变换器控制较为复杂，且不易并联，不适用于大电流输出场景，模拟器件闭环易受干扰，稳定性较差的问题，本发明提供的技术方案为：

基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法，所述方法包括：

步骤1：采集电路输出电压作为采集数据；

步骤2：对所述采集数据进行滤波；

步骤3：判断滤波后的数据是或否发生负载突变，若发生负载突增，则执行步骤4，若发生负载突减，则执行步骤5；

步骤4：将发送至所述电路中的驱动信号置高，在检测到关断电压来临时将所述驱动信号置低，当所述负载突增情况消失，恢复所述驱动信号；

步骤5：将发送至所述电路中的驱动信号置低，在检测到关断电压来临时将所述驱动信号置高，当所述负载突减情况消失，恢复所述驱动信号。

进一步，提供一个优选实施方式，所述步骤3中，判断所述数据的方式为：通过阈值检测的方法。

进一步，提供一个优选实施方式，所述阈值检测中的阈值为预设阈值。

进一步，提供一个优选实施方式，判断所述负载突增和负载突减的方法为：通过阈值检测的方法。

进一步，提供一个优选实施方式，所述电路中动态控制方法采用状态机思想。

进一步，提供一个优选实施方式，所述关断电压的确定方法为：

通过公式：

其中，d表示理论占空比，

基于同一发明构思，本发明还提供了基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制装置，所述装置包括：

模块1：用于采集电路输出电压作为采集数据；

模块2：用于对所述采集数据进行滤波；

模块3：用于判断滤波后的数据是或否发生负载突变，若发生负载突增，则执行模块4的功能，若发生负载突减，则执行模块5的功能；

模块4：用于将发送至所述电路中的驱动信号置高，在检测到关断电压来临时将所述驱动信号置低，当所述负载突增情况消失，恢复所述驱动信号；

模块5：用于将发送至所述电路中的驱动信号置低，在检测到关断电压来临时将所述驱动信号置高，当所述负载突减情况消失，恢复所述驱动信号。

基于同一发明构思，本发明还提供了基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制系统，包括SC-Buck电路，所述系统还包括：

输出电压采集组件、负载变化采集组件和处理单元；

所述输出电压采集组件用于采集所述电路中的输出电压；

所述负载变化采集组件用于采集所述电路中的负载电压；

所述处理单元用于执行所述的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法。

基于同一发明构思，本发明还提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，当计算机的处理器处理所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行所述的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法。

基于同一发明构思，本发明还提供了计算机，包括处理器和储存介质，其特征在于，当所述处理器处理所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行所述的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法。

本发明的有益之处在于：

本发明提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法，控制简单，适用于大电流输出场景，模拟软件抗干扰能力前，稳定性较高。

本发明提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法，突破了SC-Buck变换器占空比不超过0.5的限制，在负载突变时提供较大的电流变化率，以满足负载动态响应要求。

本发明提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法，首次将电容电荷平衡控制算法应用于SC-Buck变换器，并计算了负载突变各个过程的电流电压变化情况，推导出了负载突变时的开关电压。

本发明提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法，所需控制信息少，电路设计简单，只需要采集输出电压，通过控制开关管精准开通与关断就可实现最优的动态响应。

本发明提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法，采用FPGA+高速ADC控制方案，大大缩短了采样时间，提高了采样精度，缩短了控制程序执行时间，实现了较快的动态响应控制，使用状态机控制思想，提高了控制系统的鲁棒性，简化了控制程序。

本发明提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法，该可应用于多模块并联输出的场景，大大提高了变换器的电流输出能力，适用于大功率应用场景。

适合应用于提高负载点电源动态响应，满足CPU等用电设备供电要求。

附图说明

图1为背景技术中提到的多通道交错并联Buck变换器示意图；

图2为背景技术中提到的改进COT控制Buck变换器示意图；

图3为实施方式一提到的两相驱动信号和电感电流波形示意图；

图4为实施方式一提到的负载突增时电容电荷充放电平衡曲线示意图；

图5为实施方式一提到的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法的流程图；

图6为实施方式一提到的动态控制状态机模型示意图；

图7为实施方式一提到的负载突增控制信号波形示意图；

图8为实施方式一提到的负载突减控制信号波形示意图；

图9为实施方式十一提到的48V-1V试验样机主体示意图；

图10为实施方式十一提到的50A-150A切换输出电压波形示意图；

图11为实施方式十一提到的50A-150A切换输出电压细节波形示意图；

图12为实施方式十一提到的150A-50A切换输出电压细节波形示意图。

具体实施方式

为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更具体，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：

实施方式一、结合图3-8说明本实施方式，本实施方式提供了基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法，所述方法包括：

步骤1：采集电路输出电压作为采集数据；

步骤2：对所述采集数据进行滤波；

步骤3：判断滤波后的数据是或否发生负载突变，若发生负载突增，则执行步骤4，若发生负载突减，则执行步骤5；

步骤4：将发送至所述电路中的驱动信号置高，在检测到关断电压来临时将所述驱动信号置低，当所述负载突增情况消失，恢复所述驱动信号；

步骤5：将发送至所述电路中的驱动信号置低，在检测到关断电压来临时将所述驱动信号置高，当所述负载突减情况消失，恢复所述驱动信号。

具体的：

为了提高变换器的动态响应，本实施方式提出了基于电容电荷平衡的数字控制算法，突破了SC-Buck变换器占空比不能超过0.5的限制，并系统分析了其工作原理及实现方法。

SC-Buck变换器相对于传统的Buck变换器具有更高的降压比，通常情况下，为维持中间电容电荷平衡，SC-Buck变换器在工作时占空比设置不超过0.5，这限制了变换器的电流变化速率。为了提高动态响应，本设计在负载突变时打破占空比极限，推导了不同占空比下的电流变化速率，最终在负载突增时设置满占空比，即驱动信号拉高；在负载突减时设置零占空比，即驱动信号拉低，极大地提高了变换器的电流变化速率，可以满足更高的负载突变要求。且由于SC-Buck变换器的自均流特性，在负载突变调节完成后中间电容会快速回到稳态，不影响变换器正常工作。

当占空比D>0.5时，SC-Buck变换器两相驱动信号和电感电流波形如图3所示；

假设串联电容足够大，在暂态过程中串联电容电压维持不变，则两相电感电流在一个周期内的平均变化斜率m

其中V

当占空比D＝0时，两相电感电流在一个周期内的平均变化斜率m

其中V

以此为基础，提出了基于电容电荷平衡的时间最优控制。利用输出电容电荷充放电平衡，合理分配驱动信号高低电平时间，以实现最小电压纹波和最短调整时间。以负载突增为例，整个过程分为三个阶段，分析电容充放电过程可以计算得到负载突增时的关断电压，同理可以得到负载突减时的开通电压，通过控制开关管精准开通关断可以实现最优的动态响应。

图4所示为负载电流从I

忽略负载突变过程中输出电压变化对电感电流变化斜率的影响、电容ESR对电容放电过程的影响及线路损耗、电感电阻，开关管导通电阻可以分析得到以下三个过程:

1、T

t

I

I

I

其中I

2、T

其中，V

3、T

I

I

I

I

由电容电荷充放电平衡过程可知，(m

同理可计算得到负载突减时关断电压为:

其中，V

在实现方式上，利用FPGA搭配100Msps采样率高速ADC，并对采集的数据进行算法处理。具体实现框图及驱动信号变化如图5所示，对采集的数据进行滤波处理，通过阈值检测的方法判断是否发生负载突变。以负载突增为例，当滤波后的输出电压数据超出设定阈值时判定进入负载突增状态，同时将驱动信号置高(Q

其中，负载突增控制信号波形如图7所示、负载突减控制信号波形如图8所示。

实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法的进一步限定，所述步骤3中，判断所述数据的方式为：通过阈值检测的方法。

实施方式三、本实施方式是对实施方式二提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法的进一步限定，所述阈值检测中的阈值为预设阈值。

实施方式四、本实施方式是对实施方式一提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法的进一步限定，判断所述负载突增和负载突减的方法为：通过阈值检测的方法。

实施方式五、本实施方式是对实施方式一提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法的进一步限定，所述电路中动态控制方法采用状态机思想。

实施方式六、本实施方式是对实施方式一提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法的进一步限定，所述关断电压的确定方法为：

通过公式：

其中，d表示理论占空比，

实施方式七、本实施方式提供了基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制装置，所述装置包括：

模块1：用于采集电路输出电压作为采集数据；

模块2：用于对所述采集数据进行滤波；

模块3：用于判断滤波后的数据是或否发生负载突变，若发生负载突增，则执行模块4的功能，若发生负载突减，则执行模块5的功能；

模块4：用于将发送至所述电路中的驱动信号置高，在检测到关断电压来临时将所述驱动信号置低，当所述负载突增情况消失，恢复所述驱动信号；

模块5：用于将发送至所述电路中的驱动信号置低，在检测到关断电压来临时将所述驱动信号置高，当所述负载突减情况消失，恢复所述驱动信号。

实施方式八、本实施方式提供了基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制系统，包括SC-Buck电路，所述系统还包括：

输出电压采集组件、负载变化采集组件和处理单元；

所述输出电压采集组件用于采集所述电路中的输出电压；

所述负载变化采集组件用于采集所述电路中的负载电压；

所述处理单元用于执行实施方式一至六任意一项提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法。

实施方式九、本实施方式提供了基于同一发明构思，本发明还提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，当计算机的处理器处理所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行实施方式一至六任意一项提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法。

实施方式十、本实施方式提供了基于同一发明构思，本发明还提供了计算机，包括处理器和储存介质，其特征在于，当所述处理器处理所述储存介质中储存的计算机程序时，所述计算机执行实施方式一至六任意一项提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法。

实施方式十一、结合图9-12说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的基于电容电荷平衡的SC-Buck变换器动态响应控制方法提供一个具体实施方式，同时还用于解释上述实施方式一至六，具体的：

搭建一台48-1V，200W输出试验样机如图9所示。负载以5ms为间隔在50A-150A之间跳变，负载变化率为100A/us。记录负载突变时的输出电压如图10-12所示，可以看到负载突增时输出电压跌落仅为128mV，负载突减时输出电压过冲仅为134mV，而在不控或传统控制下，负载突变时，输出电压跌落和过冲超过300mV。观察负载突变时的电压细节波形，可以看到，可以看到负载突变时控制信号出现明显置位，控制算法实现良好，同时验证了控制理论的正确性。