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（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：1．项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）；随着系统芯片(SoC)集成更多的功能且采用更为先进的工艺，并在各种便携式电子产品中得到了广泛应用，这对其中关键部件—电源系统的设计提出了新的挑战。长期以来，传统的模拟控制电源以成本低、电路简单等优点一直占据主导地位，模拟电源管理芯片结合先进的环路控制理论和电路结构，在集成组合调制模式下已达到全负载条件下较高的性能水平。但由于调整困难，仅能提供特定功能，使用接口简单不适合复杂电源系统的整合，并且控制回路补偿不易调整，因此难以满足SoC产品发展中对电源要求逐步提高的苛刻要求。因此基于SoC的数字控制DC-DC变换器管理技术应运而生，数字控制技术具备很多明显的优势：1)可以实现高级的控制算法，以提高电源转换器的稳定性以及动、静态性能；2)利用软件技术或者可编程存储器改变控制器性能，可以让基于数字控制器的系统具备很大的灵活性，设计参数很容易被修改以满足新的要求；3)对器件以及外围变化的鲁棒性好，解决了电路性能受工艺影响漂移大的难题；4)优良的系统管理和系统连接能力，包括执行自我诊断、改变系统设定、以及在现场动态升级和维护系统的能力。此外，数字控制DC-DC变换器可以采用主流CMOS制造工艺，能够有效的与SoC系统进行无缝整合集成，更有助于降低成本和缩小体积。因此利用数字控制DC-DC变换器灵活的调控能力将成为下一代SoC芯片的必然选择。正是由于数字控制DC-DC变换器众多的优越性和不断增加的市场需求，21世纪初国外开始研究数字电源系统。目前在性能上经过众多研究机构多年努力，取得较大进展，但数字控制DC-DC变换器在诸如稳定可靠性、精度以及响应速度方面还不能满足未来信息终端产品的应用需求。下面从建模理论、控制策略的研究现状出发，提出本课题的研究思路：1.1建模理论研究通常来说精确的系统模型是电源设计的基础，有效而精确的建模可有效、透彻地了解的系统工作机理及揭示系统的各元件参数在系统的作用和影响，需要对功率级和反馈控制结构进行精确的建模。而数字控制引入的极限环振荡、时延影响等问题也给电源的设计带来了挑战，已引起设计者的高度重视。实现离散域中数字控制器的设计是数字电源前进的必经之路，由DavidM.VandeSype和KoenDeGusseme等人提出的数字控制的小信号Z域分析在Z域中对Buck变换器方法进行了建模，有了一个很好的开始，但提出的方法具有一定的局限性，模型不能应用到所有种类的DC-DC变换器中[1]。之后出现了由DraganMaksimovic和ReganZane提出的小信号离散建模方法提出的方法可适用于所有DC-DC变换器的建模方法。遗憾的是，方法没有得到实验的对比验证[2]。2004年根特大学K.DeGusseme建立了数字控制DC-DC变换器小信号离散模型，进一步分析其稳态、动态特性[3]；2009年意大利的里雅斯特大学的MarcoMeola和SergioCarrato提出了一种新的DC-DC变换器大信号离散时间模型。该大信号模型能够准确地预测在不同的工作模式下的变换器性能。模型非常适合对数字控制的SMPS进行系统级模拟，避免了费时的混合信号仿真[4]。2004年美国科罗拉多大学的HaoPeng等人建立量化效应模型，对包含量化效应的静态和动态模型进行推导，并解释极限环振荡的起源，发现DC环路增益过大但并不是无限，会产生极限环震荡，而高分辨率DPWM可以改善这一现象[5]，Peterchev,S.R.Sanders于2003年提出了数字控制DC-DC变换器的离散时间建模方法，加入积分项到控制规则中，在一定程度上消除了极限环振荡现象[6]；2005年乌迪内大学W.Stefanutti,D.Trevisan,P.Mattavelli建立了含有PID结构的电压模式控制的变换器模型，使用统计方法对极限环振荡进行预测[7]；2006年加利福利亚大学PeterchevA.V.,SandersS.R.研究了模数转换器（ADC）和数字脉冲宽度调制器（DPWM）的量化误差对DC-DC变换器的影响，并给出了避免极限环发生的三个判断条件[8]；杜克大学Bibian.S已给出了数字控制DC-DC变换器的时延补偿研究，提出了基于线性外插法的预测方法，通过提高控制回路带宽的方式来消除时延影响[9]；同年，伯克利大学Stefanutti.W等分析了时延对数字控制DC-DC变换器的影响，提出了全新的基于变换器状态变量的能量增量的极限环预测方法，减小了极限环振荡的产生概率[10]；2008年乌迪内大学Tedeschi.E等提出了使用电感电流预测法减少量化效应的方法[11]；2012年都柏林大学MarkBradley等人研究了含有PI的数字控制DC-DC降压变换器的极限环振荡现象，提出了通过调整增益参数避免极限环振荡的方法[12]。我国台湾的Yu-ChiHuang给出了输入电压变化、死区时间控制、切换频率变化、DPWM延迟几种情况引起极限环产生的现象，但没有定量分析其产生机理[13]。可以看出：目前大量的研究还是集中理想情况下的数字控制DC-DC变换器的建模以及单个量化效应或时延补偿的研究，模数转换器（ADC）和数字脉冲宽度调制器（DPWM）的不匹配量化误差引起的极限环振荡现象，缺少精确的非线性理论模型，导致与实际情况偏差较大，影响其稳定性与可靠性的进一步提高。1.2控制算法研究随着现代控制理论的发展和实现方法的改进，在DC-DC变换器控制策略的研究方面有了长足的进步，许多灵活的智能控制方法也得到应用。众多研究表明采用诸如改进的PID线性控制以及预测控制、自适应控制、模糊控制的非线性控制等先进算法，可以显著提高电源系统的动态和静态性能，表1是近年来DC-DC变换器中常见的控制策略。表1现有的主要控制算法补偿算法特点PID优点：算法成熟简单，可消除静态误差缺点：需要精确的数学模型，且对非线性系统控制效果不理想；且不能根据情况在线调整增益参数PID基因算法优点：可以更合理的计算出PID系数缺点：计算量较大，不适用于在线计算预测控制由于系统中存在一定的延时，故在控制策略中增加预测环节，解决时延问题，提高系统动态特性Sliding滑模优点：控制不受系统本身和外界扰动的影响缺点：由于自身的缺陷会发生抖振现象，增大了输出电压的纹波神经网络控制算法优点：具有非线性映像能力、自学习适应能力、联想记忆能力，并行信息处理方式及其优良的容错性能缺点：学习过程收敛速度慢，训练易陷入瘫痪；训练过程易陷入局部极小值；网络泛化能力差遗传算法优点：具有坚实的生物学基础，鲜明的认知学意义，广泛的应用价值，适用于解决复杂的非线性和多维空间寻优问题缺点：局部搜索能力差、存在未成熟收敛和随机游走等问题，导致算法的收敛性能差，需要很长时间才能找到最优解等问题模糊算法优点：不需要被控对象有精确的数学模型，且适用于非线性系统的控制中；有较强的适应能力，鲁棒性较强缺点：规则库及边界条件不易确定；且缺乏系统的设计方法自适应PIDPID进行基本的控制，Fuzzy对PID控制器的增益进行控制，融合了两种控制的优点。具有很好的鲁棒性和抗干扰能力单输入模糊算法具有模糊控制特点，同时由于单输入模糊控制规则条数较少，其设计、调节、硬件实现较简单可以看出：由于DC-DC变换器本质上是一个强非线性时变系统，供电系统输入电压变化、负载变化以及外界干扰的不确定性，使得模糊控制算法以及与之相结合的方法得到越来越广泛的应用，逐渐显现出巨大的优越性。2009年美国奥本大学的LipingGuo设计了应用于DC-DC升压转换器的PID控制和模糊控制,并比较了这两种控制方法。实验结果表明模糊控制相对于PID控制可以达到更快的瞬态响应,较小的超调,更好的负载扰动抵抗能力[14]。2011年马来西亚工艺大学的NikFasdiNikIsmail设计了DC-DC的Buck-Boost转换器的PID控制和模糊控制，实验结果显示模糊控制在此Buck-Boost转换器中其启动速度、超调量、抗负载扰动能力都优于PID控制[15]。2012年韩国东国大学的K.-W.Seo给出了DC-DC控制器的精确鲁棒控制的模糊PID控制器的设计，使用精确的数学矩阵模型方法对PID参数进行调节。实验比较了模糊PID控制与模糊控制。模糊PID控制相对于模糊控制具有较快的响应速度，几乎为零的超调量，较强的瞬态响应能力[16]。2012年孟加拉国大学的MamunRabbani设计比较了DC-DC降压转换器的模糊控制与模糊PID控制两种控制方法的控制效果。测试结果为：模糊控制的峰值时间为2.4ms、上升时间为1.8ms、超调为8.4%；模糊PID控制峰值时间为1.4ms、上升时间为1.6ms、超调为7%.可见模糊PID控制比模糊控制有更好的控制效果[17]。2007年马来西亚工艺大学的AyobS.M.提出单输入模糊控制的分段的线性控制方法分析，介绍了基于符号距离法的单输入模糊控制理论设计方法，单输入模糊控制方法与传统模糊控制方法相比，其模糊规则条数大大减小，设计实现较简单[18]。2012年他们设计了基于FPGA的单输入模糊逻辑控制(SIFLC)，并把它应用于升压DC-DC功率转换器中。实验比较了单输入模糊控制与传统模糊控制两种控制方法，实验显示在大的扰动下，单输入模糊控制与模糊控制具有相似的控制效果[19][20]。由上面的分析可见在PID、模糊、模糊PID控制算法中,模糊PID具有最优的控制效果，而单输入模糊控制与模糊控制具有类似的控制效果，又由于单输入模糊控制具有设计简单方便的优点、所以本课题中我们拟采用单输入模糊控制与PID控制结合的控制方法，即提出单输入模糊PID控制方法。更好地兼顾模糊与PID控制的各自优点，并能实现较好的调节效果。国内近年也开展了对于数字控制DC-DC变换器的研究，复旦大学微电子实验室依托2007年国家自然科学基金项目，对数字DC-DC变换器控制集成电路的控制算法、关键模块设计等进行了系统研究。电子科技大学与东南大学合作，依托2009年国家核高基项目，对数字DC-DC变换器与SoC集成接口方法、数字控制方法等进行了研究。西南交通大学开展了低频振荡现象以及脉冲控制方法的研究，西安交通大学进行了数字控制DC-DC变换器中低频振荡现象分析，在考虑采样保持器的作用下，建立了数字控制DC-DC变换器系统的z域模型，由此揭示了系统发生低频分岔现象的原因[21]，重庆大学开展了延迟离散模型的研究，建立包含延时在内的数字控制DC-DC变换器的小信号离散模型，得出延时使系统带宽下降，系统的动态响应速度明显变差的结论[22]，清华大学、华南理工大学等也发表过相关文章，均取得一些良好的结果。我们从2006年起开展了电源管理芯片的研究，进行了建模研究以及高效率DC-DC变换器芯片的研发，主要工作有：先后开展了一种基于相加电流模式的DC-DC转换器的研究，完成全负载下实现高效率的DC-DC转换器芯片设计，带纹波控制的全载高效率DC-DC变换器的设计以及一种PWM/LDO双模同步降压型稳压器的设计。2008年开始了数字控制DC-DC变换器的研究，并在2009年参与了国家“核高基”“数字辅助功率集成技术研究”。项目研发中重点关注数字DC-DC变换器中的非线性效应的产生机理与解决方法，在2011年实验室自建项目中重点关注了电源专用PMBuS接口的数据交互及处理功能。2012年又开展了基于数字DC-DC变换器的模糊控制算法以及用于单相BoostPFC的数字预测算法的研究[23]。并完成一种数字控制可变输出DC-DC转换器的设计。在DC-DC转换器的研究上具有一定的基础。综上所述，数字控制DC-DC变换器变换器具有众多优势，符合未来SoC集成电源的发展趋势。关于数字控制DC-DC变换器的建模及非线性效应分析，尽管国内外研究机构给出了