應用于電源的數字補償器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種應用于電源的數字補償器。在一個實施例中，本發明系統包括混合信號狀態估計器、平均電感電流估計器和占空比計算器。
【專利說明】應用于電源的數字補償器
[0001]本申請為分案申請，其原申請是2011年5月23日進入中國國家階段、國際申請日為2009年11月20日的國際專利申請PCT/US2009/065260，該原申請的中國國家申請號是200980146646.8，發明名稱為“應用于電源的數字補償器”。
【技術領域】
[0002]本發明主要涉及電源控制和一些類似裝置。
【背景技術】
[0003]電源，特別是降壓調節器，是現有技術當中很重要的組成部分。這些裝置主要由兩部分構成，電力電子設備和控制器。控制器的作用在于使得電力電子設備的運行滿足負載的系統要求。不論是電力電子設備部分還是控制器都需要被設計成滿足電氣規范和成本方面的要求目標。基于摩爾定律關于數碼電子產品成本減少的理論，目前的趨勢是將數碼電子產品應用于控制器當中。
[0004]一個有效控制器的關鍵需求特性是:快速設定時間、低直流誤差、可調輸出阻抗、電流限制，以及穩定性。
[0005]具備上述所列特性的高性能數字補償控制器是很有必要的。
[0006]數字補償器通常作為PID或帶有額外濾波的PID來實現，這些是一般的舊有模擬設計的數字實現方法。
[0007]目前有三種普遍方法用于電流感應。第一種方法是測量一個或多個功率場效應晶體管的壓降以及利用功率場效應晶體管(FET)的導通電阻來計算感應電流。這種方法有很大限制。首先，功率FET的導通電阻公差大并具有溫度依賴性。第二，FET上的電壓非常小，難以精確測量。
[0008]圖2顯示了與電感串聯的感應電阻的第二種方法。測量感應電阻兩端的電壓，然后確定電流。這種方法的限制在于需要一電感串聯的外部功率電阻。這種電阻降低了供電效率并且增加了成本。為了提高效率，電阻的阻值可以降低，但是這樣會導致由于噪聲而引起的測量的復雜化。
[0009]如圖3所示，第三種方法是利用一外部RC網絡來模擬電感及其串聯等效電阻，Rdc。這種方法的一個困難之處在于電感的串聯電阻與溫度相關，并且可能不清楚。此外，由于FET的快速開關及其噪聲，其他的一些實際限制也會產生。
[0010]所有上述方法都會有噪聲靈敏度的問題，并且，在上述兩個例子中，還會有參數不確定性問題。同時，對于補償而言，所需要的并不是實際電感電流，而是在一個PWM周期內的電感電流的平均值。在連續傳導的過程中，由于功率FET產生的脈寬調制驅動信號，電感電流具有類三角形波形。所有這些方法都不能提供實際的平均電感電流。
[0011]因此需要一種能夠減少組件成本、降低噪聲靈敏度、參數穩定并能提供一個PWM周期的平均電感電流的方法。
【發明內容】
[0012]在一個實施例中，本發明的系統包括一混合信號狀態估計器，和平均電感電流估計器，以及占空比計算器。在一個實例中，平均電感估計器包括利用平均開關電壓和平均輸出電壓來獲得平均電感電流的估計值。在另一個實例中，測量值被用于調整估計值。在一測量值被用于調整估計值的實施例中，帶有預設極點分布的低通濾波器被用來校正混雜問題。
[0013]在一個實施例中，混合信號狀態估計器同時包括一高動態范圍DAC和一低動態范圍ADC。所述混合信號狀態估計器的其他實施例也公開了。
[0014]占空比計算的實施例也公開了。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]為了更好地理解本發明，以及其他和更進一步的需求，附圖和詳細說明將作為參考，所附權利要求將指出其保護范圍。
[0016]圖1顯示了本發明一實施例的方框圖；
圖2闡明了一用于電流感應的常規方法；
圖3闡明了另一用于電流感應的常規方法；
圖4a、4b是本發明的一個系統的原理圖，該系統包括一電流估計器的實施例；
圖5顯示了本發明電流估計器的一實施例的方框圖；
圖6a、6b顯示了本發明電流估計器的另一實施例的方框圖；
圖7顯示了本發明電流估計器的又一實施例的方框圖；
圖8是一多分辨率ADC的原理圖解表示；
圖9是一多分辨率ADC的一個實施例的原理方框圖表不；
圖10是本發明系統組件的一個實施例的原理方框圖表示；
圖11是本發明數字補償器的實施例的原理方框圖表示；以及 圖12-18是本發明系統的一個實施例的示范性結果的原理圖解表示。
【具體實施方式】
[0017]圖1顯示了本發明的一實施例的方框圖。該實施例包括一混合信號狀態估計器、電感電流估計器，和占空比計算器。參考圖1，其中顯示的是一開關電源，包括具有兩個或多個用于提供輸出電壓的電抗組件10、15的電路，其中兩個或多個電抗組件中的一個是電感；一在兩個或多個開關狀態間轉換電路的開關組件20，所述兩個或多個開關狀態包括一個輸出狀態和另一個電壓狀態；一脈寬調制器25和一控制器30。脈寬調制器25接收占空比并將開關組件20下拉以引起兩個或多個開關狀態間的轉換。控制器30包括一用于提供電感電流估計的電感電流估計器35，其中電感電流不是被直接測量出來的；一狀態估計器40，可以接收電感電流估計提供系統狀態的估計，其中狀態估計器同時包括模擬和數字組件(也被稱之為混合信號狀態估計器)以及一占空比確定組件45 (也被稱之為占空比計算組件)，該占空比確定組件45接收系統狀態估計和電感電流估計并提供一個占空比給所述脈寬調制器25。如圖1所示，其是一個具有計算機可讀代碼的計算機可執行媒介50，該計算機可讀代碼使得處理器55能夠執行在電流估計器35、混合信號狀態估計器40和占空比計算45功能運行中的所需操作。
[0018]圖1所示的實施例采用了降壓轉換器拓撲結構。然而，本發明的方法適用于任何降壓、升壓、或降壓-升壓、前移、回歸、單端初級電感、升降等類型的通用變換器。
[0019]如圖1所示，其中所示實施例是三個部分的結合運作以構成所需的數字補償器。這些部分是:平均電感電流估計器、混合信號狀態估計器，以及占空比計算器。
[0020]平均電感電流估計器在平均電感電流估計器的一個實施例中，采用平均開關電壓以及通過電感器的平均電壓獲得平均電感電流。在一般的數字電源的應用中，輸出電壓和電源電壓被模數轉換器數字化。
[0021]圖4a和4b顯示的是包括一電感電流預測組件的開關電源的一個實施例(控制器的其他組件沒有顯示)。參考圖4a，一模擬數字轉換器(ADC) 60對通過電容器15的輸出電壓進行數字化。經過數字化的輸出電壓提供給所述電感電流預測組件70。所示另外一個ADC65對輸入電壓Vdd進行數字化。輸出電壓和開關電壓(SW)的平均值能夠通過常規的移
動平均(running average) T7
【權利要求】
1.一種用于開關電源的狀態估計器，所述狀態估計器包括: 高動態范圍數模轉換器(DAC)，接收估計輸出電壓，所述估計輸出電壓通過將估計狀態矢量與輸出矩陣作乘法運算得到； 模擬減法組件，從測量的輸出電壓中將所述高動態范圍DAC的輸出減去； 模數轉換器(ADC)，接收所述模擬減法組件的輸出； 第一延時組件，接收所述估計輸出電壓； 第一加法組件，接收所述ADC的輸出和所述第一延時組件的輸出； 第一減法組件，接收所述第一加法組件的輸出和所述估計輸出電壓，所述第一減法組件的輸出即為被用于獲取所述估計狀態矢量的電壓誤差。
2.根據權利要求1所述的狀態估計器，其中所述ADC為在動態范圍的中心具有高分辨率以及在遠離動態范圍中心具有低分辨率的多分辨率ADC。
3.根據權利要求2所述的狀態估計器，其中所述多分辨率ADC包括: 低動態范圍、高分辨率ADC ； 高動態范圍、低分辨率ADC，所述低動態范圍、高分辨率ADC和所述高動態范圍、低分辨率ADC具有同樣的輸入； 飽和組件，具有和所述低動態范圍、高分辨率ADC相同的動態范圍，所述飽和組件接收所述高動態范圍、低分辨率AD C的輸出； 第二減法組件，提供所述高動態范圍低分辨率ADC輸出和所述飽和組件輸出之間的差；以及 第二加法組件，接收所述第二減法組件的輸出和所述低動態范圍高分辨率ADC的輸出，所述加法組件的輸出即為所述多分辨率ADC的輸出。
4.根據權利要求1所述的狀態估計器，進一步包括: 第一乘法器，接收所述電壓誤差并將所述電壓誤差與輸出誤差反饋矩陣作乘法運算； 第二乘法器，接收預設或先前獲得的反饋信號并將反饋信號和輸入矩陣作乘法運算； 第二延時組件； 第三乘法器，接收所述第二延時組件的輸出； 第二加法組件，接收所述第一、第二和第三乘法器的輸出，并提供接收量的總和，所述第二加法組件的輸出即為所述估計狀態矢量。
5.根據權利要求4所述的狀態估計器，進一步包括: 低分辨率ADC，接收負載電流信號； 第四乘法器，接收低分辨率ADC的輸出，所述第四乘法器將所述低分辨率ADC的輸出與正反饋矩陣作乘法運算，所述第四乘法器的輸出被所述第二加法組件接收。
6.一種用于開關電源的占空比確定系統，所述占空比確定系統包括: 第一乘法器，接收電感電流估計并將所述電感電流估計與第一增益作乘法運算；一減法組件，接收電容電壓和預定電壓參考值，并提供所述電容電壓和預定電壓參考值之間的差； 第二乘法器，接收除電容電壓外的狀態矢量元素和所述減法組件的輸出，并將所述接收到的狀態矢量元素和所述減法組件的輸出與第二增益作乘法運算； 第一組合組件，接收所述第一乘法器的輸出和第二乘法器的輸出；所述第一組合組件提供所述第一乘法器輸出和第二乘法器輸出總和的負值； 第三乘法器，接收所述電感電流估計并將所述電感電流估計與第三增益作乘法運算；一加法組件，接收所述第一組合組件的輸出和所述第三乘法器的輸出，并提供所述組合組件輸出和所述第三乘法器輸出的總和； 倒數組件，接收功率級輸入電壓，并提供所述功率級輸入電壓的倒數作為其輸出；以及第四乘法器，將所述倒數組件的輸出和所述加法組件的輸出相乘，所述第四乘法器的輸出即為所述占空比。
7.根據權利要求6所述的占空比確定系統，進一步包括: 第五乘法器，接收所述電感電流估計并將所述電感電流估計與除以采樣率后的功率級電感值作乘法運算；以及 第二組合組件，接收所述第五乘法器的輸出、輸出電壓和最大允許平均電感電流乘以功率級總電阻與除以采樣率后的功率級電感的總和的乘積，并提供所述占空比確定系統乘法器輸出和所述輸出電壓的總和以及所述乘積之間的差，所述第二組合組件的輸出即為在下一采樣時間的最大允許平均開關電壓。
8.根據權利要求7所述的占空比確定系統，進一步包括: 第一飽和組件，接收所述第一組合組件的輸出，所述第一飽和組件限制所述第一組合組件的輸出； 最小選擇組件，接收所述第一飽和組件的輸出和所述第二組合組件的輸出，所述最小選擇組件提供所述第一飽和組件輸出和所述第二組合組件輸出的最小值， 其中所述加法組件接收所述最小選擇組件輸出和所述第三乘法器的輸出；以及 第二飽和組件，接收所述加法組件的輸出，所述第二飽和組件限制所述加法組件的輸出， 其中所述第四乘法器將所述倒數組件的輸出和所述第二飽和組件的輸出相乘。
9.一種在開關電源上測量電感電流的方法，所述方法包括以下步驟: 測量電感電壓； 提供極點-零點給極點-零點濾波器； 選擇所述極點-零點濾波器的零點用于補償外部反混雜濾波器； 選擇所述極點-零點濾波器的極點用于與電感時間常數相匹配； 利用極點-零點濾波器對所測量的電感電壓進行濾波；以及 將所述極點-零點濾波器的輸出與預設濾波器增益相乘。
【文檔編號】G01R19/00GK103475224SQ201310381614
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2009年11月20日 優先權日:2008年11月21日
【發明者】S·肯利, P·W·萊瑟姆二世 申請人:L&L建筑公司