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华中科技大学
硕士学位论文
用于DC-DC变换器的数字控制器的研究与设计
姓名:曹艺
申请学位级别:硕士
专业:软件工程
指导教师:陈晓飞
2010-05-22
华中科技大学硕士学位论文

摘要
随着数字信号处理技术的发展,数字控制技术在 DC-DC 变换器中得到了广泛应
用,数字控制可以提高控制系统的可靠性和稳定性,控制灵活多变,能够实现各种复
杂的控制算法。目前,常用的开关电源数字控制有单片机控制、DSP 控制和 FPGA 控
制等,基于单片机的控制,控制精度和开关频率都不高,基于 DSP 和 FPGA 的控制,
虽然控制精度得到改善,但是设计成本高,而且它们都不是 DC-DC 变换器专用的控
制器。因此有必要为开关电源设计专用的数字控制器,专用控制器具有结构简单、成
本低的优势。
本文研究用于 DC-DC 变换器的专用数字控制器的设计与实现,重点研究数字 PID
控制算法的实现和数字 PWM 发生器的设计。数字 PID 控制算法,是将连续域中实现
的 PID 控制算法离散化来实现的,完成了反馈环路的数字 PID 补偿,改善了系统的带
宽和相位裕度,提高了系统的响应速度,减小了输出纹波幅度。综合考虑硬件面积、
开关频率、分辨率和精度等因素,采用计数比较与延迟相结合的混合方式,并加入数
字抖动来实现数字 PWM,延迟环节采用闭环实现方式,较好地实现了对时钟频率和
面积的折衷处理,而且在不增加硬件资源的基础上提高了数字 PWM 的有效分辨率,
这是一种新型数字 PWM 实现方式。
本文实现的数字控制器在 BUCK 型 DC-DC 变换器中得到了验证,实验结果表明
变换器的输出电压稳定,纹波系数符合设计指标要求,动态响应迅速,达到设计预期
目标。

关键词:数字控制数字 PID 补偿数字抖动数字 PWM




II
华中科技大学硕士学位论文

Abstract
With the development of digital signal processing technique, the digital control
technique is widely applied in DC-DC power converters. The digital controller can realize
plicated control strategies, it has higher reliability、stability and flexibility. At
present, the conventional control strategies of switching mode power supply has MCU
based controller、DSP based controller and FPGA based controller. In the MCU-based
control mode, the control precision and the switching frequency is not high, and in the DSP
and FPGA-based control mode, the control costs higher though the control precision is
improved,and these core controllers are not the dedicated controller for the switching mode
power supply. Therefore, it is necessary to design a dedicated digital controller for
switching power supply, and the structure of the dedicated digital controller is simpler, the
cost is lower.
This paper research that the design and realize of the dedicated digital controller for
DC-DC power converters, the research focus on the realize of the digital PID control
algorithm and the design of the digital PWM generator, dig