專利名稱：電源/轉(zhuǎn)換器中組件值估計(jì)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源/轉(zhuǎn)換器中的組件值估計(jì)。
背景技術(shù)：
一般來(lái)說(shuō)，在DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源領(lǐng)域，為了達(dá)到最佳瞬態(tài)性能，有必要知道電源的功率組件值(component value) 0在常規(guī)的電源應(yīng)用當(dāng)中，因?yàn)殡娫磁c各種不同的負(fù)載一起工作，所以負(fù)載電容可能無(wú)法確定。除了電容以外物理負(fù)載電容還具有等效串聯(lián)電阻 (ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)。在很多情況下，所述等效串聯(lián)電感可能不太重要。然而，等效串聯(lián)電阻卻是非常重要的。所述等效電阻的作用在于在占空比和輸出電壓之間產(chǎn)生高頻零和傳遞函數(shù)。電容ESR在閉環(huán)穩(wěn)定性方面具有極佳的效果，因此必須要予以說(shuō)明。為了測(cè)量任何網(wǎng)絡(luò)的性能，可能需要注入信號(hào)。自適應(yīng)方法可以注入一已知占空比波形并在輸出電壓上測(cè)量其響應(yīng)。這些方法均有其局限性，注入信號(hào)可能引起輸出誤差， 這會(huì)使得電源達(dá)不到其目的，即要消除這些變化。因此，一種不需要注入信號(hào)的測(cè)量方法就顯得很有必要。

發(fā)明內(nèi)容
上述問(wèn)題以及進(jìn)一步和其他問(wèn)題均通過(guò)本發(fā)明來(lái)解決。這些方案及其他的優(yōu)勢(shì)之處通過(guò)本發(fā)明下述的各種實(shí)施例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明所述的方法包括將輸出紋波電壓分解成不同成分，并利用該分解所必要的比例系數(shù)來(lái)對(duì)電源的電容和ESR進(jìn)行測(cè)量。在一個(gè)實(shí)例中，使用相關(guān)性獲取所述比例系數(shù)。在另一實(shí)例中，使用LMS算法獲取所述比例系數(shù)。在另一種實(shí)例中，采樣電壓輸出波形被用于獲取所述比例系數(shù)。通過(guò)相關(guān)性估計(jì)具有接受占空比指令的驅(qū)動(dòng)組件的電源/轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的方法，可以包括，但不限于包括，將與電源/轉(zhuǎn)換器相關(guān)的紋波電壓分解成不同成分(constituent)的步驟；基于標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)確定電源/轉(zhuǎn)換器的至少兩個(gè)基函數(shù)，所述至少兩個(gè)基函數(shù)包括測(cè)試值；通過(guò)將成分與測(cè)試值關(guān)聯(lián)計(jì)算出至少一個(gè)比例系數(shù)；以及基于比例系數(shù)估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)。通過(guò)LMS算法估計(jì)電源/轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)參數(shù)的方法，可能包括，但不限于包括，將與電源/轉(zhuǎn)換器相關(guān)的紋波電壓分解成不同成分的步驟；基于標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)將電源/ 轉(zhuǎn)換器的理想電容電壓基函數(shù)與ESR電壓基函數(shù)求和；按比例縮放總和；通過(guò)將最小均方誤差(LMS)算法應(yīng)用到電源/轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和按比例縮放的總和上計(jì)算比例系數(shù)；并基于比例系數(shù)估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)。通過(guò)采樣估計(jì)電源/轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)參數(shù)的方法，可能包括，但不限于包括，基于標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)確定電源/轉(zhuǎn)換器的理想電容電壓基函數(shù)和ESR電壓基函數(shù)的步驟；對(duì)電源/轉(zhuǎn)換器的輸出波形進(jìn)行采樣來(lái)確定電容電壓和ESR電壓的最小值和最大值； 將最小值和最大值與所述理想電容基函數(shù)以及ESR基函數(shù)進(jìn)行比較；基于比較步驟確定比例系數(shù)；并基于比例系數(shù)估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)。本發(fā)明的一種電源/轉(zhuǎn)換器包括，但不限于包括，一提供輸出電壓的電路。所述電路包括紋波電壓，并且所述紋波電壓具有各種不同成分。所述電源/轉(zhuǎn)換器還包括開關(guān)組件(switch component)，所述開關(guān)組件能夠有效地在開關(guān)狀態(tài)之間對(duì)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所述電源/轉(zhuǎn)換器還包括驅(qū)動(dòng)組件，所述驅(qū)動(dòng)組件能夠有效地對(duì)所述開關(guān)組件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以促使其在開關(guān)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。所述驅(qū)動(dòng)組件具有周期。所述電源/轉(zhuǎn)換器還包括補(bǔ)償組件， 所述補(bǔ)償組件能夠有效地接收輸入控制信號(hào)并估算電源/轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)參數(shù)，并且能夠有效提供基于輸入控制信號(hào)的占空比指令和估計(jì)值給驅(qū)動(dòng)組件。所述電源/轉(zhuǎn)換器還包括基函數(shù)發(fā)生器，所述基函數(shù)發(fā)生器能夠基于電源/轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)提供電源/轉(zhuǎn)換器的基函數(shù)?；瘮?shù)包括測(cè)試值。所述電源/轉(zhuǎn)換器還包括相關(guān)器，所述相關(guān)器可以使得測(cè)試值與所述成分相關(guān)以計(jì)算比例系數(shù)。所述電源/轉(zhuǎn)換器還包括一提供估計(jì)值給基于比例系數(shù)的補(bǔ)償器的估計(jì)器。在現(xiàn)有的實(shí)施例中，所述輸出電壓的AC成分被分解成兩個(gè)相互正交的基函數(shù)—— 通過(guò)電容器的電壓和通過(guò)電容器電阻的電壓——它們相互正交是由其性質(zhì)所決定的。所述輸出電壓和開關(guān)電壓之間的轉(zhuǎn)移函數(shù)可能與參數(shù)值和每個(gè)基函數(shù)的變形相關(guān)。然后，由于所述輸出電壓的AC成分的分解，電容器的電容和電阻就可以被估計(jì)出來(lái)。有若干方法可以得到所述分解，其與系統(tǒng)和方法的各種實(shí)施例一起被公開。應(yīng)用本發(fā)明所述系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換器(電源)的實(shí)施例也同樣被公開。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明所述的方法使用脈寬調(diào)制 (PWM)信號(hào)作為電源網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)，并使用高頻信號(hào)作為測(cè)量方法。


為了更好地理解本發(fā)明，以及其他和進(jìn)一步的要求，附圖和細(xì)節(jié)說(shuō)明將作為參考。圖Ia是典型的PWM降壓式電源原理圖； 圖Ib是本發(fā)明功率變換器的原理圖2是圖Ia所示的PWM降壓式電源的穩(wěn)定狀態(tài)波形圖3是分解成兩個(gè)成分的輸出紋波圖4是采樣率為8倍PWM頻率的波形采樣代表圖5是本發(fā)明LMS算法實(shí)現(xiàn)的原理圖6是本發(fā)明雙積分器實(shí)現(xiàn)的示例性實(shí)施例的原理圖7是本發(fā)明如圖5所示的LMS算法的示例性實(shí)施例結(jié)果圖8是如圖5所示的LMS算法實(shí)現(xiàn)的示例性實(shí)施例的收斂結(jié)果圖9是本發(fā)明示例性實(shí)施例的基波上的采樣時(shí)間和它們的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的曲線圖；和
圖10是本發(fā)明示例性實(shí)施例的帶通濾波器的原理圖。
具體實(shí)施例方式為了更好地闡明本發(fā)明的系統(tǒng)，下面描述了一使用降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施例。圖Ia顯示了 PWM降壓式電源17的原理圖。圖Ia所示的輸出電壓有兩個(gè)成分通過(guò)等效串聯(lián)電阻(ESR)的電壓Vresl3，和通過(guò)理想輸出電容器19，無(wú)ESR的電壓Vcapl5。 對(duì)于電源17，所述成分被選擇這樣輸出電壓紋波很小。其結(jié)果是電感電流21具有會(huì)被輸出電容器19濾除的三角波形特征。
功率級(jí)的轉(zhuǎn)移函數(shù)近似為
這里Rcap是輸出電容器ESR，C是輸出電容，L是電感，Rind是電感的ESR，Vout是輸出電壓11，SW是開關(guān)電壓23。現(xiàn)在參考圖lb，電源輸出和AC耦合開關(guān)波形(沒有顯示)被提供給實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法實(shí)施例的C&ESR估計(jì)器子系統(tǒng)27。C&ESR估計(jì)器子系統(tǒng)27的結(jié)果被提供給自適應(yīng)補(bǔ)償器四(例如，但不限于，美國(guó)專利申請(qǐng)#2007/0112443描述的自適應(yīng)補(bǔ)償器，這里整體作為參考引入)。C&ESR估計(jì)器子系統(tǒng)27可以通過(guò)下面公開的相關(guān)器方法、LMS方法，或采樣方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。電源/轉(zhuǎn)換器100包括，但不限于包括，提供輸出電壓11的電路。所述電路包括紋波電壓，并且所述紋波電壓具有不同成分。電源/轉(zhuǎn)換器100還包括開關(guān)組件23。開關(guān)組件23能夠在開關(guān)狀態(tài)之間對(duì)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電源/轉(zhuǎn)換器100還包括驅(qū)動(dòng)組件25，所述驅(qū)動(dòng)組件能夠有效地對(duì)所述開關(guān)組件23進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以促使開關(guān)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。所述驅(qū)動(dòng)組件25具有周期。所述電源/轉(zhuǎn)換器100還包括補(bǔ)償組件27，所述補(bǔ)償組件能夠有效地接收輸入控制信號(hào)39和所述電源/轉(zhuǎn)換器100的系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)值41，并且能夠有效提供基于輸入控制信號(hào)39的占空比指令43和估計(jì)值41給驅(qū)動(dòng)組件25。所述電源/轉(zhuǎn)換器100還包括基函數(shù)發(fā)生器33，所述基函數(shù)發(fā)生器基函數(shù)給基于標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)的電源/轉(zhuǎn)換器 100提供電源/轉(zhuǎn)換器100的基函數(shù)?；瘮?shù)可能包括測(cè)試值。所述電源/轉(zhuǎn)換器100還可能包括相關(guān)器31，所述相關(guān)器31可以使得測(cè)試值與所述成分相關(guān)以計(jì)算比例系數(shù)。所述電源/轉(zhuǎn)換器還包括一提供估計(jì)值41給基于比例系數(shù)的補(bǔ)償器27的估計(jì)器27?，F(xiàn)在參考圖2，其顯示了 PWM控制器25 (圖la)中的穩(wěn)定狀態(tài)波形。所述PWM頻率可能遠(yuǎn)大于濾波器共振頻率。結(jié)果，所述轉(zhuǎn)移函數(shù)可以精確地近似為
從上述方程式中可以看到，Vres具有Vcap派生出來(lái)的函數(shù)形式。這種結(jié)果取決于ESR 電流與和電容電壓派生式成比例的電容電流是否相等。更進(jìn)一步的結(jié)論是Vcap與Vres為相互正交函數(shù)。 Vres和Vcap函數(shù)的時(shí)域波形可以利用輸入開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形的傅里葉級(jí)數(shù)展開來(lái)計(jì)算。利用分析拓展，拉普拉斯變換的近似表達(dá)可以變換成一具有頻率(S=jw)的函數(shù)。所述 AC耦合開關(guān)波形的傅里葉級(jí)數(shù)是
這里W = 2開.t , t是從0到1的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間，這里1標(biāo)準(zhǔn)化為Tpwm，Tpwm是P麗周期， duty是PWM的占空比。 所述AC理想電容波形的傅里葉級(jí)數(shù)是
權(quán)利要求
1.一種估計(jì)具有接受占空比指令的驅(qū)動(dòng)組件的電源/轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的方法包括以下步驟將與電源/轉(zhuǎn)換器相關(guān)的紋波電壓分解成不同成分；基于標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)確定電源/轉(zhuǎn)換器的至少兩個(gè)基函數(shù)，所述至少兩個(gè)基函數(shù)包括測(cè)試值；通過(guò)將所述成分與測(cè)試值相關(guān)聯(lián)來(lái)計(jì)算至少一個(gè)比例系數(shù)；以及基于至少一個(gè)比例系數(shù)估計(jì)至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少兩個(gè)基函數(shù)包括理想電容基函數(shù)和等效串聯(lián)電阻(ESR)基函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述成分包括通過(guò)ESR的電壓和通過(guò)理想電容的電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少兩個(gè)基函數(shù)包括理想電容基函數(shù)、等效串聯(lián)電阻(ESR)基函數(shù)，以及等效串聯(lián)電感(ESL)基函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述成分包括通過(guò)ESL的電壓、通過(guò)ESR的電壓， 以及通過(guò)理想電容的電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟選擇來(lái)自于由電容和ESR組成的組的至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟通過(guò)將值存儲(chǔ)進(jìn)表的步驟來(lái)獲取測(cè)試值；以基于來(lái)自于驅(qū)動(dòng)組件和占空比的信號(hào)的時(shí)間指數(shù)選擇一個(gè)值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述確定理想電容基函數(shù)和等效串聯(lián)電阻(ESR) 基函數(shù)的步驟包括以下步驟將開關(guān)波形與AC耦合進(jìn)行兩次積分，所述開關(guān)波形與電源/ 轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)。
9.一種估計(jì)電源/轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的方法包括以下步驟 將紋波電壓分解成不同成分；基于標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)對(duì)電源/轉(zhuǎn)換器的理想電容電壓基函數(shù)和ESR電壓基函數(shù)求和； 對(duì)總和進(jìn)行縮放；將最小均方誤差(LMS)算法應(yīng)用到電源/轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和縮放總和來(lái)計(jì)算比例系數(shù)；以及基于比例系數(shù)估計(jì)至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括步驟從至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)中提取所述紋波電壓；以及基于所述提取步驟預(yù)測(cè)理想系統(tǒng)參數(shù)。
11.一種估計(jì)電源/轉(zhuǎn)換器的至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)的方法包括以下步驟 基于標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)確定電源/轉(zhuǎn)換器的理想電容基函數(shù)和ESR基函數(shù)；對(duì)來(lái)自于電源/轉(zhuǎn)換器的輸出波形進(jìn)行采樣，以確定電容電壓和ESR電壓的最小值和最大值；將最小值和最大值與理想電容基函數(shù)和ESR基函數(shù)進(jìn)行比較； 基于所述比較步驟確定至少一個(gè)比例系數(shù)；以及基于所述比例系數(shù)估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述對(duì)輸出波形采樣包括以下步驟選擇至少一個(gè)點(diǎn)對(duì)輸出波形進(jìn)行采樣，所述輸出波形來(lái)自于由脈寬調(diào)制(PWM)周期中點(diǎn)、PWM休止時(shí)間中點(diǎn)、開關(guān)信號(hào)上升沿，以及開關(guān)信號(hào)下降沿所構(gòu)成的組。
13.一種電源/轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括提供輸出電壓的電路，所述電路包括紋波電壓，所述紋波電壓具有各種成分； 至少一個(gè)開關(guān)組件，所述至少一個(gè)開關(guān)組件能夠有效地在開關(guān)狀態(tài)之間對(duì)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換；驅(qū)動(dòng)組件，所述驅(qū)動(dòng)組件能夠有效地對(duì)所述開關(guān)組件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)以促使開關(guān)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，所述驅(qū)動(dòng)組件具有周期；補(bǔ)償組件，所述補(bǔ)償組件能夠有效地接收輸入控制信號(hào)和所述電源/轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)，并且能夠有效提供基于輸入控制信號(hào)的占空比指令和估計(jì)值給驅(qū)動(dòng)組件；基函數(shù)發(fā)生器，所述基函數(shù)發(fā)生器基于電源/轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱網(wǎng)絡(luò)提供至少兩個(gè)電源/ 轉(zhuǎn)換器基函數(shù)，基函數(shù)可能包括測(cè)試值；至少一個(gè)相關(guān)器，所述相關(guān)器可以將測(cè)試值與所述成分相關(guān)聯(lián)以計(jì)算比例系數(shù)；以及估計(jì)器，所述估計(jì)器基于比例系數(shù)提供估計(jì)值給補(bǔ)償器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述至少一個(gè)相關(guān)器是數(shù)字相關(guān)器，所述數(shù)字相關(guān)器與所述周期同步。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述至少一個(gè)相關(guān)器是模擬相關(guān)器，所述模擬相關(guān)器與所述周期同步。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述至少兩個(gè)基函數(shù)包括理想電容基函數(shù)和等效串聯(lián)電阻(ESR)基函數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述成分包括通過(guò)ESR的電壓和通過(guò)理想電容的電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述至少兩個(gè)基函數(shù)包括理想電容基函數(shù)、等效串聯(lián)電阻(ESR)基函數(shù)，以及等效串聯(lián)電感(ESL)基函數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的種電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述成分包括通過(guò)ESL的電壓、通過(guò) ESR的電壓，以及通過(guò)理想電容的電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述至少一個(gè)系統(tǒng)參數(shù)從由電容和 ESR組成的組中選擇出來(lái)。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述基函數(shù)發(fā)生器包括 存儲(chǔ)測(cè)試值的表；以及選擇組件，所述選擇組件基于來(lái)自于驅(qū)動(dòng)組件和占空比的信號(hào)的時(shí)間指數(shù)選擇一個(gè)值。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電源/轉(zhuǎn)換器，其中所述基函數(shù)發(fā)生器包括 與所述電源/轉(zhuǎn)換器相關(guān)的開關(guān)波形；以及對(duì)所述開關(guān)波形和AC耦合進(jìn)行兩次積分的積分器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電源/轉(zhuǎn)換器中組件值估計(jì)的方法和系統(tǒng)，在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明方法包括包括將輸出紋波電壓分解成不同成分，并利用該分解所必要的比例系數(shù)來(lái)對(duì)電源的電容和ESR進(jìn)行測(cè)量。
文檔編號(hào)G05B19/18GK102334078SQ200980146425
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:L&L建筑公司