專利名稱：應(yīng)用于電源的數(shù)字補(bǔ)償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及電源控制和一些類似裝置。
背景技術(shù)：
電源，特別是降壓調(diào)節(jié)器，是現(xiàn)有技術(shù)當(dāng)中很重要的組成部分。這些裝置主要由兩部分構(gòu)成，電力電子設(shè)備和控制器?？刂破鞯淖饔迷谟谑沟秒娏﹄娮釉O(shè)備的運行滿足負(fù)載的系統(tǒng)要求。不論是電力電子設(shè)備部分還是控制器都需要被設(shè)計成滿足電氣規(guī)范和成本方面的要求目標(biāo)?；谀柖申P(guān)于數(shù)碼電子產(chǎn)品成本減少的理論，目前的趨勢是將數(shù)碼電子產(chǎn)品應(yīng)用于控制器當(dāng)中。一個有效控制器的關(guān)鍵需求特性是快速設(shè)定時間、低直流誤差、可調(diào)輸出阻抗、 電流限制，以及穩(wěn)定性。具備上述所列特性的高性能數(shù)字補(bǔ)償控制器是很有必要的。數(shù)字補(bǔ)償器通常作為PID或帶有額外濾波的PID來實現(xiàn)，這些是一般的舊有模擬設(shè)計的數(shù)字實現(xiàn)方法。目前有三種普遍方法用于電流感應(yīng)。第一種方法是測量一個或多個功率場效應(yīng)晶體管的壓降以及利用功率場效應(yīng)晶體管(FET)的導(dǎo)通電阻來計算感應(yīng)電流。這種方法有很大限制。首先，功率FET的導(dǎo)通電阻公差大并具有溫度依賴性。第二，F(xiàn)ET上的電壓非常小， 難以精確測量。圖2顯示了與電感串聯(lián)的感應(yīng)電阻的第二種方法。測量感應(yīng)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(lián)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(dǎo)致由于噪聲而引起的測量的復(fù)雜化。如圖3所示，第三種方法是利用一外部RC網(wǎng)絡(luò)來模擬電感及其串聯(lián)等效電阻， Rdc0這種方法的一個困難之處在于電感的串聯(lián)電阻與溫度相關(guān)，并且可能不清楚。此外， 由于FET的快速開關(guān)及其噪聲，其他的一些實際限制也會產(chǎn)生。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(shù)不確定性問題。同時，對于補(bǔ)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(nèi)的電感電流的平均值。在連續(xù)傳導(dǎo)的過程中，由于功率FET產(chǎn)生的脈寬調(diào)制驅(qū)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。因此需要一種能夠減少組件成本、降低噪聲靈敏度、參數(shù)穩(wěn)定并能提供一個PWM 周期的平均電感電流的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)包括一混合信號狀態(tài)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(guān)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(diào)整估計值。在一測量值被用于調(diào)整估計值的實施例中，帶有預(yù)設(shè)極點分布的低通濾波器被用來校正混雜問題。在一個實施例中，混合信號狀態(tài)估計器同時包括一高動態(tài)范圍DAC和一低動態(tài)范圍ADC。所述混合信號狀態(tài)估計器的其他實施例也公開了。占空比計算的實施例也公開了。


為了更好地理解本發(fā)明，以及其他和更進(jìn)一步的需求，附圖和詳細(xì)說明將作為參考，所附權(quán)利要求將指出其保護(hù)范圍。圖1顯示了本發(fā)明一實施例的方框圖； 圖2闡明了一用于電流感應(yīng)的常規(guī)方法； 圖3闡明了另一用于電流感應(yīng)的常規(guī)方法；
圖4a、4b是本發(fā)明的一個系統(tǒng)的原理圖，該系統(tǒng)包括一電流估計器的實施例； 圖5顯示了本發(fā)明電流估計器的一實施例的方框圖； 圖6a、6b顯示了本發(fā)明電流估計器的另一實施例的方框圖； 圖7顯示了本發(fā)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示； 圖10是本發(fā)明系統(tǒng)組件的一個實施例的原理方框圖表示； 圖11是本發(fā)明數(shù)字補(bǔ)償器的實施例的原理方框圖表示；以及圖12-18是本發(fā)明系統(tǒng)的一個實施例的示范性結(jié)果的原理圖解表示。
具體實施例方式圖1顯示了本發(fā)明的一實施例的方框圖。該實施例包括一混合信號狀態(tài)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(guān)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(guān)狀態(tài)間轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)組件20，所述兩個或多個開關(guān)狀態(tài)包括一個輸出狀態(tài)和另一個電壓狀態(tài)；一脈寬調(diào)制器25和一控制器30。脈寬調(diào)制器25接收占空比并將開關(guān)組件20下拉以引起兩個或多個開關(guān)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)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(tài)估計器 40，可以接收電感電流估計提供系統(tǒng)狀態(tài)的估計，其中狀態(tài)估計器同時包括模擬和數(shù)字組件(也被稱之為混合信號狀態(tài)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(tǒng)狀態(tài)估計和電感電流估計并提供一個占空比給所述脈寬調(diào)制器25。如圖1所示，其是一個具有計算機(jī)可讀代碼的計算機(jī)可執(zhí)行媒介50，該計算機(jī)可讀代碼使得處理器55能夠執(zhí)行在電流估計器35、混合信號狀態(tài)估計器40和占空比計算45功能運行中的所需操作。圖1所示的實施例采用了降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)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。如圖1所示，其中所示實施例是三個部分的結(jié)合運作以構(gòu)成所需的數(shù)字補(bǔ)償器。這些部分是平均電感電流估計器、混合信號狀態(tài)估計器，以及占空比計算器。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(guān)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(shù)字電源的應(yīng)用中，輸出電壓和電源電壓被模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。圖如和4b顯示的是包括一電感電流預(yù)測組件的開關(guān)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(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 60對通過電容器15的輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化。經(jīng)過數(shù)字化的輸出電壓提供給所述電感電流預(yù)測組件70。所示另外一個 ADC 65對輸入電壓Vdd進(jìn)行數(shù)字化。輸出電壓和開關(guān)電壓(SW)的平均值能夠通過常規(guī)的
移動平均(running average)
權(quán)利要求
1.一種用于開關(guān)電源的電感電流估計器，所述電感電流估計器包括 向開關(guān)電源輸入端提供開關(guān)電壓平均值的第一感應(yīng)/平均組件；提供所述開關(guān)電源輸出電壓平均值的第二感應(yīng)/平均組件； 接收開關(guān)電壓平均值和輸出電壓平均值的減法組件；接收所述減法組件輸出，并將減法組件輸出與第一模型參數(shù)作乘法運算的第一乘法組件；將第二乘法組件的輸入與第二模型參數(shù)作乘法運算的第二乘法組件；接收第一乘法組件輸出和第二乘法組件輸出的加法組件；以及接收所述加法組件輸出的延時組件；所述第二乘法組件的輸入即為延時組件的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感電流估計器，其中所述第一和第二模型參數(shù)通過零階保持離散時間估計獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感電流估計器，其中所述開關(guān)電源是一降壓調(diào)節(jié)器；并且其中所述第一模型參數(shù)由T/L給出； 所述第二模型參數(shù)由1-RT/L給出； 其中T是PWM周期時間； L是電感器電感；以及 R是功率級DC電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電感電流估計器，進(jìn)一步包括低通濾波器；在頻率表示中，所述低通濾波器的極點實質(zhì)上被選擇用于校正混雜問題； 所述低通濾波器接收測量電感電壓；接收所述低通濾波器數(shù)字化輸出的極點-零點濾波器；所述極點-零點濾波器的零點被調(diào)整以補(bǔ)償外部反混雜濾波器；所述極點-零點濾波器的極點被調(diào)整以實質(zhì)上匹配電感時間常數(shù)；所述極點-零點濾波器的輸出與預(yù)設(shè)濾波器增益相乘的值即為測量電感電流；比較組件將預(yù)測電感電流與測量電感電流進(jìn)行比較；以及調(diào)整組件接收所述比較組件的輸出，并提供調(diào)整后的表示電感電流平衡的所述離散時間參數(shù)的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電感電流估計器，進(jìn)一步包括 接收開關(guān)電壓的平均值和輸出電壓的平均值的減法組件； 其中所述調(diào)整組件提供第一和第二模型參數(shù)調(diào)整后的值；所述預(yù)測電感電流通過以下方式獲得，其為所述第一模型參數(shù)乘以所述減法組件的輸出的乘積加上所述第二模型組件參數(shù)與先前預(yù)測的電感電流延時值的乘積的總和。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電感電流估計器，其中LMS方法被用于調(diào)整組件中。
7.一種用于開關(guān)電源的狀態(tài)估計器，所述狀態(tài)估計器包括高動態(tài)范圍數(shù)模轉(zhuǎn)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(tài)矢量與輸出矩陣作乘法運算得到；模擬減法組件，從測量輸出電壓中將所述高動態(tài)范圍DAC的輸出減去；模數(shù)轉(zhuǎn)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；加法組件，接收所述ADC的輸出和所述第一延時組件的輸出；減法組件，接收所述加法組件的輸出和估計輸出電壓；所述減法組件的輸出即為電壓誤差；所述電壓誤差被用于獲取所述估計狀態(tài)矢量。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的狀態(tài)估計器，其中所述ADC為在動態(tài)范圍的中心具有高分辨率以及在遠(yuǎn)離動態(tài)范圍中心具有低分辨率的多分辨率ADC。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的狀態(tài)估計器，其中所述多分辨率ADC包括 低動態(tài)范圍、高分辨率ADC;高動態(tài)范圍低分辨率ADC ；所述低動態(tài)范圍高分辨率ADC和所述高動態(tài)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(tài)范圍、高分辨率ADC相同的動態(tài)范圍；所述飽和組件接收所述高動態(tài)范圍、低分辨率ADC的輸出；減法組件，提供所述高動態(tài)范圍低分辨率ADC輸出和所述減法組件輸出之間的差；以及加法組件，接收所述減法組件的輸出和所述低動態(tài)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。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的狀態(tài)估計器，進(jìn)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(yù)設(shè)/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；另一加法組件，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； 所述另一加法組件的輸出即為估計狀態(tài)矢量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的狀態(tài)估計器，進(jìn)一步包括 低分辨率ADC，接收負(fù)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另一加法組件接收。
12.一種用于開關(guān)電源的占空比確定系統(tǒng)，所述占空比確定系統(tǒng)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； 另一減法組件，接收電容電壓和預(yù)定電壓參考值，并提供所述電容電壓和預(yù)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(tài)矢量元素和所述另一減法組件的輸出，并將所述接收到的狀態(tài)矢量元素和所述另一減法組件的輸出與第二增益矢量作乘法運算；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(fù)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； 另一加法組件，接收所述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(shù)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(shù)作為其輸出；以及乘法組件，將所述倒數(shù)組件的輸出和所述另一加法組件的輸出相乘；所述乘法組件的輸出即為所述占空比。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的占空比確定系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第四乘法器，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；以及另一組合組件，接收所述第四乘法器的輸出、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(tǒng)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；所述另一組合組件的輸出即為在下一采樣時間內(nèi)的最大允許平均開關(guān)電壓。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的占空比確定系統(tǒng)，其中所述占空比確定組件進(jìn)一步包括 第一飽和組件，接收所述組合組件的輸出；所述第一飽和組件限制所述組合組件的輸出；最小選擇組件，接收所述第一飽和組件的輸出和所述另一組合組件的輸出；所述最小選擇組件提供所述第一飽和組件輸出和所述另一組合組件輸出的最小值；其中所述另一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，接收所述另一加法組件的輸出；所述第二飽和組件限制所述另一加法組件的輸出；以及其中所述乘法組件將所述倒數(shù)組件的輸出和所述第二飽和組件的輸出相乘。
15.一種在開關(guān)電源中估計電感電流的方法，所述方法包括 獲取開關(guān)電源輸入的開關(guān)電壓的平均值；獲取開關(guān)電源輸出電壓的平均值；獲取開關(guān)電壓平均值與輸出電壓平均值的差；由此獲得第一乘積值； 將所述差值與第一模型參數(shù)作乘法運算；將先前估計的電感電流延時值與第二模型參數(shù)作乘法運算；由此獲得第二乘積值；并且將所述第一乘積值與所述第二乘積值相加； 由此獲得估計電感電流。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟 測量電感電壓；提供極點-零點；選擇所述極點-零點濾波器的零點用于補(bǔ)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實質(zhì)上與電感時間常數(shù)相匹配； 濾除極點-零點濾波器上的測量電感電壓；將所述極點-零點濾波器的輸出與預(yù)設(shè)濾波器增益相乘；由此獲得測量電感電流； 將所述估計電感電流與測量電感電流作比較；并基于所述比較，調(diào)整所述第一和第二模型參數(shù)；并利用調(diào)整后的第一和第二模型參數(shù)獲得估計電感電流的下一個值。
17.一種在開關(guān)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；選擇所述極點-零點濾波器的零點用于補(bǔ)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實質(zhì)上與電感時間常數(shù)相匹配； 濾除極點-零點濾波器上的測量電感電壓；以及將所述極點-零點濾波器的輸出與預(yù)設(shè)濾波器增益相乘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于電源的數(shù)字補(bǔ)償器。在一個實施例中，本發(fā)明系統(tǒng)包括混合信號狀態(tài)估計器、平均電感電流估計器和占空比計算器。
文檔編號G01R27/28GK102282473SQ200980146646
公開日2011年12月14日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者P·W·萊瑟姆二世, S·肯利 申請人:L & L建筑公司