1、引言
　　传统的开关电源采用模拟控制技术，使用比较器、误差放大器和模拟电源管理芯片等元器件来调整电源输出电压，存在着控制电路复杂、元器件数量多以及控制电路成型后很难修改等缺点，不利于开关电源的集成化和小型化。近年来随着微电子学的迅速发展，电源的控制也已经由模拟控制、模数混合控制，进入到数字控制阶段，具有可编程性、设计可延续性、元件数量减少、先进的校正能力等优点。以往由于DSP等控制芯片的高成本，数字控制多用于大功率AC/DC 变换器、PFC功率因数校正等场合，而对于DC/DC高频开关电源只是实现了一些数字化的简单应用，如采用MCU提供保护、监控和通信功能。随着数字控制芯片成本的降低，数字控制也逐渐应用于DC/DC直流变换器，直接参与电源的反馈回路控制，实现了信号采样补偿和PWM调节的数字化。数字PID补偿器的设计非常关键，直接决定了电源的输出精度、动态响应等指标。近年来对DC/DC 开关电源的数字补偿器的建模研究已有很多论述，主要基于数字重设计法和直接数字设计法。数字重设计是在传统模拟电源研究方法的基础上，首先将数字电源简化为一个连续的线性系统，忽略了采样保持器效应后设计模拟补偿器，然后采用双线性近似（Tustin）、匹配零极点（MPZ）等方法对其离散化得到数字补偿器。直接数字设计是直接建立零阶保持器和被控对象的离散模型，再构建包括离散补偿器的反馈系统。数字重设计和直接数字设计法在高采样速率下设计的数字补偿器性能差别不是很大，只是在低采样速率下直接数字设计更加精确。尽管基于数字重设计法构建补偿器已有相关论述，但其补偿器的设计大都忽略了数字采样系统的延迟效应，从而没有考虑到采样速率对系统设计的影响，产生了一定的误差。
　　在数字电源建模过程中引入了采样系统的等效延迟环节，基于Matlab 的SISO Design Tool 平台，在伯德图分析和根轨迹法的基础上设计了模拟补偿器并离散化。数字补偿器的设计是在给定的系统采样速率下完成，考虑了数字控制系统固有延迟特性对系统的影响，从而改善了数字重设计法的误差，实现了PWM调节的精确控制。仿真结果证明了理论分析的正确性。

　　2、数字电源S域建模
　　数字电源的主功率回路和模拟电源一样，完成输入电压的隔离变换；而信号反馈回路实现了数字化，应用AD、DSP 等数字芯片完成电压反馈信号的数字化处理和数字脉宽调制输出（DPWM）。图1 给出了以DSP 芯片TMS320C2000 为核心控制器的DC/DC 开关电源结构框图。功率回路采用隔离式正激变换器拓扑结构，输入电压信号在功率开关管Q的作用下，通过变压器T 传输到次级，经整流管D和输出电感电容滤波后，输出给负载RL。控制电路对输出电压和输入电流信号采样，采样信号经信号调理电路滤波放大后输入到DSP 控制芯片的ADC 模块，CPU中枢对得到的数字信号分析处理，根据程序设定的算法完成PID校正并输出PWM驱动方波，改变功率开关管的导通占空比以调节输出电压，而形成闭环控制回路。

图1   数字控制DC/DC正激变换器结构图

　　从图1 可以看出数字电源和模拟电源最关键的区别在于控制环路的实现方式不同。模拟电源的反馈控制回路主要由模拟芯片组成，输出反馈电压送入误差放大器产生误差信号，经PID校正补偿后输入到PWM电源管理芯片，产生PWM驱动信号。PID补偿控制算法由运放、电阻、电容等搭建的模拟电路实现，而PWM电源管理芯片也是模拟集成电路，通过比较输入电压信号和三角波振荡信号来输出驱动方波。数字电源的控制回路则完全实现了数字化，反馈电压信号经AD转换为数字信号后，一切都是数字化处理，通过DSP 芯片的内置程序完成PID补偿校正和PWM信号调节，即数字PID补偿器和DPWM模块。
　　传统的数字重设计法通常忽略了零阶保持器的滞后效应，先在S域设计一个模拟补偿器，然后进行模拟补偿器的离散化。这样处理没有考虑采样速率的不同对系统的影响，产生了设计误差。为了改善离散设计，在建立闭环系统s 域小信号模型时，引入了数字控制回路固有的延迟效应。在受控对象的原始模型中插入延迟环节可以分析采样速率对系统的影响，减小数字重设计法的误差。
　　为了构建数字电源在S域的系统框图模型并计算其传递函数，根据图1 的电路框图可以将电源整个闭环回路分为几个主要部分：功率级电路Gp（s）、信号调理和ADC采样Gad（s）、数字补偿器GC（s）、延迟环节Gdl（s）和DPWM发生器Gdpwm（s），整体框图见图2。