專(zhuān)利名稱(chēng)：用于dc/dc轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及切換轉(zhuǎn)換器(switching converter,開(kāi)關(guān)變換器)領(lǐng)域,具體地,涉及諸如降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器以及降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的DC/DC轉(zhuǎn)換器的非線(xiàn)性數(shù)字控制。
背景技術(shù)：
在電子裝置中，DC到DC切換轉(zhuǎn)換器越來(lái)越多地用于將某一電平的DC輸入電壓轉(zhuǎn)換成所期望的另一電平的DC輸出電壓。根據(jù)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器等)，輸出電壓可低于或高于輸入電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，切換轉(zhuǎn)換器的魯棒控制可能是一挑戰(zhàn)性任務(wù)，因?yàn)榭刂破鞅仨殤?yīng)對(duì)不同工作模式(例如，連續(xù)導(dǎo)通模式CCM、不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM、前饋補(bǔ)償?shù)?，這可能根據(jù)切換轉(zhuǎn)換器提供的實(shí)際負(fù)載而改變。由于所需的模式變化(例如，當(dāng)負(fù)載電流下降至很小值時(shí)的DCM到CCM)，所需負(fù)載電流的進(jìn)一步突然變化可能導(dǎo)致不穩(wěn)定。 穩(wěn)健的控制器設(shè)計(jì)可能因此而相對(duì)復(fù)雜。必須檢測(cè)模式變化且必須重新配置相應(yīng)控制參數(shù)。然而，在某些情況下，模式變化仍導(dǎo)致輸出電壓中不期望的短暫干擾，且不穩(wěn)定性仍可能發(fā)生，尤其是當(dāng)轉(zhuǎn)換器正工作在其極限范圍內(nèi)或正改變工作模式時(shí)。因此，對(duì)允許使由于負(fù)載變化和/或輸入電壓變化而引起的短暫干擾和不穩(wěn)定性最小化的切換轉(zhuǎn)換器的魯棒控制的改進(jìn)型DC/DC轉(zhuǎn)換器及操作方法有持續(xù)需求。

發(fā)明內(nèi)容
公開(kāi)了一種切換轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)例，切換轉(zhuǎn)換器包括電源級(jí)(powerstage)，其接收輸入電壓以將它轉(zhuǎn)換為輸出電壓，并向可操作地耦接至電源級(jí)的負(fù)載提供負(fù)載電流。該電源級(jí)包括承載電感電流的電感器；以及數(shù)字控制器，其被配置為使用供給電源級(jí)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，將輸出電壓調(diào)節(jié)為接近基準(zhǔn)電壓的電平。PWM信號(hào)具有占空比，其中，控制器定期根據(jù)以下的一項(xiàng)或多項(xiàng)來(lái)計(jì)算數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)(digital slidingfunction):輸出電壓的數(shù)字表示、數(shù)字積分的輸出電壓值、電感電流的數(shù)字估計(jì)和數(shù)字斜坡信號(hào)值。根據(jù)所計(jì)算的滑動(dòng)函數(shù)來(lái)設(shè)置PWM信號(hào)的占空比。


參照以下附圖和描述能更好地理解本發(fā)明。圖中部件不一定按比例繪制，而是將重點(diǎn)放在了示出本發(fā)明的原理上。此外，在圖中，類(lèi)似附圖標(biāo)記指代相應(yīng)部分。附圖中圖Ia和圖Ib統(tǒng)稱(chēng)為圖1，其示出了作為兩種示例性切換轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞慕祲恨D(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的電源級(jí)；圖2示出了可用于控制切換轉(zhuǎn)換器的所謂滑動(dòng)模式控制的原理；圖3示出了用于DC/DC轉(zhuǎn)換器的一種示例性數(shù)字控制器；圖4借助框圖更詳細(xì)地示出了圖3的控制器的功能；圖5示出了不同工作模式下降壓和升壓轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)圈電流；圖6a和圖6b統(tǒng)稱(chēng)為圖6，其示出了用于補(bǔ)償漂移效應(yīng)的兩種選擇；
圖7示出了 DC/DC轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)圈電流和相應(yīng)輸出電壓對(duì)負(fù)載的突然變化的響應(yīng)；圖8a和圖8b統(tǒng)稱(chēng)為圖8，其示出了圖3和圖4所示控制器結(jié)構(gòu)的允許可變PWM頻率的增強(qiáng)；圖9示出了對(duì)圖4所示控制器結(jié)構(gòu)的替代控制器結(jié)構(gòu)；以及圖10示出了當(dāng)使用圖9的替代控制器設(shè)計(jì)時(shí)，DC/DC轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)圈電流和相應(yīng)輸出電壓對(duì)負(fù)載的突然變 化的響應(yīng)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將參照附圖來(lái)描述一種或多種實(shí)施，其中，通篇類(lèi)似附圖標(biāo)記用于指代類(lèi)似元件。針對(duì)DC/DC (DC到DC)功率轉(zhuǎn)換器公開(kāi)了系統(tǒng)和方法，該DC/DC功率轉(zhuǎn)換器包括非線(xiàn)性數(shù)字控制器，其被配置為從切換轉(zhuǎn)換器電源級(jí)接收一個(gè)或多個(gè)反饋?zhàn)兞?例如，表示功率轉(zhuǎn)換器輸出電壓和/或線(xiàn)圈電流)。非線(xiàn)性數(shù)字控制器被配置為從其中產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)。圖Ia和圖Ib統(tǒng)稱(chēng)為圖1，其作為一個(gè)實(shí)例示出了降壓轉(zhuǎn)換器電源級(jí)(圖Ia)和升壓轉(zhuǎn)換器電源級(jí)(圖Ib)的典型設(shè)計(jì)(降壓轉(zhuǎn)換器電源級(jí)和升壓轉(zhuǎn)換器電源級(jí)統(tǒng)稱(chēng)為DC/DC電源級(jí)I)。降壓轉(zhuǎn)換器電源級(jí)包括耦接在供電電位Vin (輸入電壓)與基準(zhǔn)電位GND (對(duì)于單極輸出電壓)之間的功率晶體管半橋(低壓側(cè)開(kāi)關(guān)SWu和高壓側(cè)開(kāi)關(guān)SWHS)。兩個(gè)晶體管的共用電路節(jié)點(diǎn)經(jīng)由電感器L耦接至輸出端。電容器C耦接在輸出端與基準(zhǔn)電位GND之間，以及負(fù)載(這里用電阻器Rwad表示)并聯(lián)連接至電容器C。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器10接收PWM信號(hào)，并提供供給兩個(gè)晶體管(即，低壓側(cè)開(kāi)關(guān)SWu和高壓側(cè)開(kāi)關(guān)SWhs)的柵極的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通常，輸出電壓％和基準(zhǔn)電壓Vkef被反饋至控制器2 (圖I未示出)。圖Ib的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋷缀跖c圖Ia的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)湎嗤ㄒ坏牟顒e在于電感器L (電感電流和高壓側(cè)開(kāi)關(guān)SWhs互換。除降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器之外，已知有所謂的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。例如，在 Everett Rogers:Understanding Buck-Boost Power Stages in Switched Mode PowerSupplies, Application Report, Texas Instruments, SLVA059A, re. Nov. 2002 中給出了對(duì)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的很好的回顧，通過(guò)引用將其結(jié)合于此。根據(jù)耦接至功率轉(zhuǎn)換器輸出級(jí)(電源級(jí))的負(fù)載，降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器兩者均可工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)或不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下。在上述引用的應(yīng)用報(bào)告中也討論了 DCM和CCM。人們可以看出，有幾種功率轉(zhuǎn)換器可工作的不同模式(例如，升壓/CCM、升壓/DCM、降壓/DCM、降壓/CCM)。已知控制器采用用于調(diào)節(jié)輸出電壓\的PID調(diào)節(jié)器(t匕例-積分-微分，短PID)。然而，在工作期間，當(dāng)由于連接至電源級(jí)的輸出的負(fù)載改變而需要模式改變(例如，CCM到DCM)時(shí)，PID調(diào)節(jié)器必須被重新配置。該重新配置是必要的，因?yàn)檎{(diào)節(jié)器通?；趯?duì)不同工作模式而不同的轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)模型。例如，當(dāng)變?yōu)镈CM時(shí)，PID調(diào)節(jié)器的“D”部件可被去激活，使得在DCM期間，該調(diào)節(jié)器作為PI調(diào)節(jié)器來(lái)有效工作。該控制器的重新配置導(dǎo)致了控制器設(shè)計(jì)的困難，因?yàn)樾枰獧z查許多邊界條件，以確保穩(wěn)定性和合適性能。此外，重新配置控制器需要一些時(shí)間，在這期間，系統(tǒng)工作在次最佳狀態(tài)下，從而導(dǎo)致了不想要的短暫干擾。最終，在兩種工作模式之間的過(guò)渡區(qū)，適當(dāng)工作模式的選擇可能很困難且會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定性。鑒于上述問(wèn)題，當(dāng)需要模式改變時(shí)，將期望有一種能夠處理不同工作模式而無(wú)需重新配置控制器參數(shù)的統(tǒng)一控制器?；陔娐凡考?電感器L、電容器C)、用于數(shù)字化輸出電壓\的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的所需PWM切換頻率和采樣頻率來(lái)定義控制參數(shù)。所謂的滑動(dòng)模式控制緩解了上述討論的關(guān)于“經(jīng)典"PID控制器的一些問(wèn)題。當(dāng)應(yīng)用滑動(dòng)模式控制時(shí)，從切換轉(zhuǎn)換器的電源級(jí)的許多內(nèi)部狀態(tài)(統(tǒng)稱(chēng)為矢量X)來(lái)確定所謂的滑動(dòng)函數(shù)S(X)。例如，滑動(dòng)函數(shù)S(X)可如下選擇S (x) = (V0 - Veef) + α 2 · iL+ α 3 · / (V0- VEEF) dt,(I)因此，線(xiàn)性組合了輸出電壓\和線(xiàn)圈電流L其中，PWM信號(hào)在下降到閾值THl以下時(shí)從低電平切換至高電平，以及在超過(guò)第二閾值TH2 (THKTH2)時(shí)從高電平切換至低電平。這可使用具有遲滯的比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。等式(I)中的第三(積分)項(xiàng)負(fù)責(zé)消除(很小的)穩(wěn)態(tài)誤差。這一方法提供了調(diào)節(jié)切換轉(zhuǎn)換器輸出電壓\的良好性能，但PWM切換頻率可能改變，這在電磁干擾(EMI)是關(guān)鍵因素以及電磁兼容性(EMC)是設(shè)計(jì)目標(biāo)的應(yīng)用中是不期望的，因?yàn)樵谶@些情況下，知道干擾頻率是有益的。 圖2示出了說(shuō)明根據(jù)等式(I)的滑動(dòng)函數(shù)的信號(hào)流的框圖，但與上述討論的實(shí)例相反，PWM信號(hào)Spwm根據(jù)由時(shí)鐘發(fā)生器提供的時(shí)鐘信號(hào)Sm的固定頻率而被設(shè)定為高電平，且當(dāng)經(jīng)過(guò)比較器22的滑動(dòng)函數(shù)S(X)超過(guò)所定義的閾值(例如，零)時(shí)被重置為低電平信號(hào)。PWM信號(hào)Spwm的設(shè)定和重置利用鎖存器23 (例如，SR觸發(fā)器)獲得，以及等式(I)中的積分由積分器21實(shí)現(xiàn)。因此，圖2的框圖準(zhǔn)確實(shí)施了等式(I)的滑動(dòng)函數(shù)S(X)。盡管工作在固定頻率處的控制器帶來(lái)了一些益處，但本公開(kāi)不限于這種實(shí)施(同樣，見(jiàn)圖9)。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字控制器2和供給其的(數(shù)字)輸入信號(hào)的一個(gè)實(shí)例。使用由控制器2提供的時(shí)鐘信號(hào)CLKm為其提供時(shí)鐘的模數(shù)轉(zhuǎn)換器26來(lái)數(shù)字化電源級(jí)輸出電壓\。然而，可選擇地，ADC時(shí)鐘信號(hào)CLKadc可由外部時(shí)鐘源提供。時(shí)鐘信號(hào)CLKadc決定了米樣輸出電壓Vo的時(shí)間實(shí)例。所產(chǎn)生的輸出電壓的數(shù)字表不Vo—Dre被供給控制器2。此夕卜，DC輸入電壓的數(shù)字表示Vin Drc、基準(zhǔn)電壓的數(shù)字表示Vkef DK和(預(yù)設(shè))數(shù)字控制器參數(shù)也被供給控制器2。輸入電壓Vin dk可從另一模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得，基準(zhǔn)電壓Vkef dk可以是存儲(chǔ)在寄存器中的恒定值。在供給電源級(jí)的輸入電壓Vin基本恒定(例如，當(dāng)它被預(yù)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過(guò)時(shí))的實(shí)施中，數(shù)字輸入信號(hào)Vin dk可被存儲(chǔ)在例如寄存器中的數(shù)字恒定值取代。此外，向控制器2提供其頻率決定了控制器的數(shù)字部分的時(shí)鐘的時(shí)鐘信號(hào)SM。最終，在必須能工作在DCM下的系統(tǒng)中，可向控制器2提供I位二進(jìn)制信號(hào)iU(l。信號(hào)(例如，通過(guò)提供高電平，即，邏輯“I”)表示線(xiàn)圈電流k已下降至等于或小于零的值的時(shí)刻。對(duì)于僅工作在CCM下的系統(tǒng)，信號(hào)可被存儲(chǔ)在寄存器中的常量(例如，低電平，即，邏輯“O”)取代，可選擇地，相應(yīng)的輸入引腳可永久接至低電平。由圖4的示例性(數(shù)字)信號(hào)流程圖示出了一些功能，根據(jù)這些功能來(lái)處理供給控制器2的輸入信號(hào)，以在輸出時(shí)獲得PWM信號(hào)，以下參照?qǐng)D4來(lái)說(shuō)明這些功能。圖4示出了必須由數(shù)字控制器2在PWM信號(hào)Spwm的一個(gè)切換周期期間(即，在一個(gè)PWM周期期間)執(zhí)行的計(jì)算。該信號(hào)流程圖包括在累加器A1處結(jié)合的四條分支，累加器A1對(duì)三條分支的數(shù)字輸出值求和，并提供數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)，然而，矢量X代表上述參照?qǐng)D3討論的輸入信號(hào)。從圖4的上部開(kāi)始，第一分支代表“比例分量”(P)。在本實(shí)例中，假設(shè)當(dāng)Vcj=Vkef時(shí)Vojig被ADC26編碼為零，當(dāng)VQ〈VKEF時(shí)V。DK為負(fù)，以及當(dāng)VQ>VKEF時(shí)V。Drc為正。作為一種選擇，輸入信號(hào)Vtuirc可被LPF28低通濾波，以減少其中的高頻噪聲含量。對(duì)滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)有貢獻(xiàn)的第一被加數(shù)被記為Si。第二分支代表由包括單位延遲塊和累加器的數(shù)字積分器INT3提供的“積分分量”(I)。該積分器的輸出是對(duì)滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)有貢獻(xiàn)的第三被加數(shù)(見(jiàn)等式(1))，且被記為S3。在供給累積器A1之前，被加數(shù)S3被(恒定)控制參數(shù)α3縮放。積分器ΙΝΤ3可工作在較低采樣率下，使得僅積計(jì)每個(gè)第二、每個(gè)第四等的樣本。被因數(shù)α 3的縮放不需要非常精確，且可通過(guò)移位操作來(lái)實(shí)施。第三分支代表有關(guān)線(xiàn)圈電流k的處理信息，該線(xiàn)圈電流L不直接測(cè)量，而是由控制器2根據(jù)輸入電壓Vin DK和基準(zhǔn)電壓Vkef DK來(lái)計(jì)算。對(duì)于線(xiàn)圈電流計(jì)算，必須考慮當(dāng)前工作模式(DCM、CCM等)。以下描述參照?qǐng)D5，其中示出了隨著時(shí)間的線(xiàn)圈電流k以及相應(yīng)PWM信號(hào)Spwm和過(guò)零信號(hào)iM。對(duì)于以下概述的所有工作模式，可確定隨著時(shí)間的線(xiàn)圈電流中的三個(gè)不同階段。PHl (階段I):對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，高壓側(cè)開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖Ia的開(kāi)關(guān)SWhs)閉合，低壓側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，且電感器L “充電”，即，電感電流(近似線(xiàn)性)上升且存儲(chǔ)在電感器中的能量增加。類(lèi)似地，對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，低壓側(cè)開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖Ib的開(kāi)關(guān)SWu)閉合，且高壓側(cè)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。電感電流(近似線(xiàn)性)上升且存儲(chǔ)在電感器中的能量增加。因此，電感電流的陡度(安培每秒)對(duì)
降壓轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖Ia)為(Vin-Vcj)/L，對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖Ib)為Vin/L。在CCM和DCM下，對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器以及對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器可觀(guān)察到該階段。PH2 (階段2):對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，在該階段期間，高壓側(cè)開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖Ia的開(kāi)關(guān)SWhs)斷開(kāi)且低壓側(cè)開(kāi)關(guān)閉合，使得電感器L“放電”。類(lèi)似地，對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器，低壓側(cè)開(kāi)關(guān)(見(jiàn)圖Ib的開(kāi)關(guān)SWJ斷開(kāi)且高壓側(cè)開(kāi)關(guān)閉合。電感電流(近似線(xiàn)性)下降，且存儲(chǔ)在電感器中的能量減小，該能量被轉(zhuǎn)移至輸出電容和負(fù)載。因此，電感電流的陡度(安培每秒)對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖Ia)為-VtZL,且對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器(見(jiàn)圖Ib)為(Vra-VtjVL15在CCM和DCM下，對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器以及對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器也可觀(guān)察到該階段。PH3 (階段3):該階段(零電流階段)僅發(fā)生在DCM下，在該階段期間電感電流為零。兩個(gè)開(kāi)關(guān)(高壓側(cè)和低壓側(cè)開(kāi)關(guān))均斷開(kāi)，使得電感電流保持為零。為向控制器信號(hào)通知該階段，通過(guò)被配置為檢測(cè)電感電流過(guò)零的電路將信號(hào)設(shè)定為高電平(邏輯“I”)。在CCM期間不存在階段3。再參照?qǐng)D4并假定實(shí)際輸出電壓Vj呆持接近基準(zhǔn)電壓Vkef，我們可以總結(jié)根據(jù)工作模式，電感電流L的斜率基本與(VIN—Drc-VKEF—Drc)、Vioig或_VKEF—Drc成比例，如下表所示。
工作模式PHl期間的斜率PH2期間的斜率PH3期間的斜率
降壓轉(zhuǎn)換器CCMVioig-Vref dig-Vref dig不存在
降壓轉(zhuǎn)換器 DCMVioig-Vref dig-Vref digO
升壓轉(zhuǎn)換器CCMWVioig-Vref dig不存在
升壓轉(zhuǎn)換器 DCMWVioig-Vref digO上述因子1/L可包括在增益α 2中，并因此未列入上表中。從系統(tǒng)電壓(VIN、VKEF、V0)得知電感線(xiàn)圈的斜率，可使用如圖4所示的數(shù)字積分器INT2計(jì)算(估計(jì))實(shí)際電感線(xiàn)圈。所獲得的對(duì)電感電流的估計(jì)被記為S2，并(在被α 2縮放之后)對(duì)滑動(dòng)函數(shù)S(X)有貢獻(xiàn)。再次，移位操作可足以實(shí)施該縮放。應(yīng)當(dāng)注意，線(xiàn)圈電流估計(jì)的絕對(duì)值對(duì)于控制電源級(jí)不相關(guān)，而是與其AC分量相關(guān)。實(shí)際上，足以?xún)H重新配置大致為通過(guò)輸出電容的電流的線(xiàn)圈電流k的AC分量。這是足夠的，因?yàn)榉e分項(xiàng)負(fù)責(zé)去除由重新配置后的線(xiàn)圈電流的錯(cuò)誤DC電平導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)誤差。圖4示意圖的第四分支未在等式(I)中表示。然而，正如以下所概述的，需要由該分支提供的功能來(lái)適當(dāng)控制電源級(jí)。在穩(wěn)態(tài)下，ADC 26輸出零(因?yàn)閂q=Vkef),且僅處理線(xiàn)圈電流(ij估計(jì)的第三分支對(duì)滑動(dòng)函數(shù)有貢獻(xiàn)。這意味著，在穩(wěn)態(tài)下，被控制的是線(xiàn)圈電流iL而不是輸出電壓V0O從文獻(xiàn)(見(jiàn)R. ff. Erickson, D. Maksimovic:Oscillationfor D>0. 5(Sectionl2. I)，in:Fundamentals of Power Electronics, 2nd ed. , SpringerScience+Business Media, 2001, pp. 441-449)中已知，在具有固定切換頻率的電流控制方案中，當(dāng)PWM信號(hào)Spwm的占空比太大時(shí)(例如,對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器大于50%)，可能發(fā)生靜態(tài)不穩(wěn)定性。這意味著若沒(méi)有執(zhí)行如圖4系統(tǒng)的第四分支提供的斜坡校正，則供給電源級(jí)的PWM信號(hào)Spwm的占空比可能在非常小的值與非常大的值之間變化(極限循環(huán))。這可用平均來(lái)校正，但卻會(huì)顯著增大不期望的影響(諸如輸出電壓波動(dòng)和線(xiàn)圈電流波動(dòng))，且根據(jù)實(shí)際實(shí)施， 可能導(dǎo)致在某些應(yīng)用中不期望的變化的切換頻率。為避免或至少減輕這種不穩(wěn)定性，可將斜坡函數(shù)增加至滑動(dòng)函數(shù)，該斜坡函數(shù)是由圖4示意圖的第四分支提供的函數(shù)。例如，可使用積分某個(gè)恒定值(例如，I)的數(shù)字積分器INTR來(lái)產(chǎn)生該斜坡函數(shù)?？蛇x擇地，可采用計(jì)數(shù)器。積分器(或者相應(yīng)地，計(jì)數(shù)器)在每個(gè)PWM周期被重置為零。在CCM下工作期間，斜坡函數(shù)僅適當(dāng)被縮放(縮放系數(shù)GR)。當(dāng)在DCM下工作時(shí)，在階段2和階段3期間(見(jiàn)圖5，PH2、PH3)，對(duì)線(xiàn)圈電流估計(jì)有貢獻(xiàn)的第四分支的輸出保持在其當(dāng)前值。為此，可使用在PH2和PH3期間選擇其第二輸入的多路復(fù)用器24。圖4結(jié)構(gòu)的四條分支的輸出信號(hào)的總和形成滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)。根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)Sm(見(jiàn)圖2和圖3)，將PWM信號(hào)Spwm從“O”設(shè)置為“I”(邏輯值)，以及根據(jù)滑動(dòng)函數(shù)Sdk(X)的值，例如當(dāng)Sdk(X)超過(guò)閾值(其可以是零)時(shí)，從“I”重置為“O”。以下總結(jié)了在各PWM周期中可由數(shù)字控制器執(zhí)行的一些附加計(jì)算步驟。由于線(xiàn)圈電流估計(jì)基于理想無(wú)損耗系統(tǒng)的假設(shè)，所以該估計(jì)包括系統(tǒng)誤差。在實(shí)際實(shí)施中，由于電源開(kāi)關(guān)、線(xiàn)圈等的寄生電阻，電源級(jí)中會(huì)發(fā)生損耗。因此，所需的PWM信號(hào)Spwm的占空比略高于無(wú)損耗系統(tǒng)中的理想情況。較高占空比在提供線(xiàn)圈電流估計(jì)的積分器INT2的輸入處引起正系統(tǒng)誤差，從而導(dǎo)致積分器輸出的漂移。因此，所估計(jì)的線(xiàn)圈電流遲早將產(chǎn)生溢出，且進(jìn)一步地，該漂移是造成穩(wěn)態(tài)誤差的原因，因?yàn)槠坡士赡鼙确e分器INT/‘更快”，所以該漂移不能被積分器INT3補(bǔ)償。對(duì)該問(wèn)題的兩種可能的解決方案在圖6a和圖6b(統(tǒng)稱(chēng)為圖6)中示出。圖6a或圖6b的信號(hào)處理結(jié)構(gòu)可取代圖4的第三分支中的積分器INT2。在圖6a的實(shí)例中，每個(gè)切換周期均從(存儲(chǔ)在集成累加寄存器中的)積分值減去積分器輸出(S2)的一部分。采用右移操作的實(shí)施(提供1/2、1/4、1/8、1/16等的分?jǐn)?shù))對(duì)于該目的足夠精確。通過(guò)考慮損耗，積分器INT2固定為一個(gè)恒定值，且任何剩余穩(wěn)態(tài)誤差均可被圖4的第二分支中的積分器INT3補(bǔ)償。在可選擇的圖6b中，低通濾波器LPF被用于在積分器INT2的輸出處計(jì)算(漂移的)平均值。隨后從縮放后的積分器輸出中減去該平均值，并提供給加法器Al (見(jiàn)圖4)。低通濾波器的輸出跟隨積分器的漂移。積分器輸出與由低通濾波器LPF提供的平均值之間的差值可被計(jì)算為2的補(bǔ)數(shù)，且即使在積分器或LPF輸出溢出的情況下也可被計(jì)算。該差值無(wú)漂移，且穩(wěn)態(tài)誤差能再次被圖4的第二分支的積分器INT3補(bǔ)償。該計(jì)算可在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，然而，每個(gè)PWM周期中一次就可足夠，且減小了計(jì)算量。最終，當(dāng)在不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下工作時(shí)，必須考慮另一影響。由于高壓側(cè)開(kāi)關(guān)的最小開(kāi)啟時(shí)間(Spwm=I)不能任意短，且由此不能短于已知最小開(kāi)啟時(shí)間，所以在耦接至電源級(jí)的負(fù)載非常小的情況下，太多能量會(huì)“注入”到電源級(jí)。在這一情況下，輸出電壓％將從所期望的目標(biāo)輸出電壓Vkef (基準(zhǔn)電壓)漂移開(kāi)。為維持輸出電壓Vtj在(或接近)基準(zhǔn)電壓Vkef處，控制器可被配置為在DCM期間“跳過(guò)”P(pán)WM信號(hào)Spwm中的一些開(kāi)啟脈沖。因此，控制器可被配置為決定是否跳過(guò)“即將到來(lái)的”脈沖。該決定可再次根據(jù)滑動(dòng)函數(shù)Sdk(X)的當(dāng)前值做出。即，恰在PWM周期開(kāi)始之前，檢查(I)電源級(jí)當(dāng)前是否處于不連續(xù)電流模式的階段3中(PH3，見(jiàn)圖5，其用信號(hào)表示)，以及(2)滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)是否仍在閾值(例如，零)以上。若兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均被確認(rèn)，則跳過(guò)隨后的脈沖。應(yīng)當(dāng)注意，線(xiàn)圈電流在階段3 (PH3)·期間為零，且因此，多路復(fù)用器24將零值轉(zhuǎn)發(fā)至積分器INT2 (見(jiàn)圖4)。作為選擇，積分器INT2的輸出在階段3期間可被設(shè)為零。此外，例如通過(guò)選擇圖4的多路復(fù)用器24處的下部輸入，在DCM下階段2和階段3 (PH2、PH3)期間，“暫?！鄙鲜鲇懻摰男逼庐a(chǎn)生(見(jiàn)圖4，第四分支)。因此，隨著輸出電壓也緩慢減小，且由于根據(jù)圖6a或圖6b考慮的“損耗”，滑動(dòng)函數(shù)Sdic(X)緩慢減小。圖7示出了輸出電壓Vtj和線(xiàn)圈電流k對(duì)3. 3V降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載突然增加的“階躍響應(yīng)”。在時(shí)間4ms之前，負(fù)載電流為10mA，且系統(tǒng)工作在DCM下。從線(xiàn)圈電流曲線(xiàn)可看出，為保持輸出電壓在3. 3V電平，控制器間或地跳過(guò)脈沖。在時(shí)間4ms處，負(fù)載電流跳至500mA。該系統(tǒng)離開(kāi)DCM并切換至CCM。這里應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，控制器遍及模式變化以相同方式工作，且不需要任何參數(shù)的重新配置。至此，已使用由恒定頻率TN0M-1的時(shí)鐘信號(hào)Sm提供時(shí)鐘的示例性電源級(jí)描述了本發(fā)明，其中，Tnom是PWM周期的時(shí)段。然而，在以上給出的概念的一種修改中，一個(gè)PWM周期的時(shí)段可改變ATsw，使得實(shí)際周期Tact等于Tnqm+ATsw。如圖8a和圖8b (統(tǒng)稱(chēng)為圖8)簡(jiǎn)圖所示,通過(guò)對(duì)滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)應(yīng)用函數(shù)f( ·)，可由滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)導(dǎo)出改變量ATSW。圖Sb中示出了函數(shù)f( ·)的一個(gè)實(shí)例，其中，分段線(xiàn)性傳遞函數(shù)被應(yīng)用于滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)來(lái)獲得值A(chǔ)TSW。當(dāng)滑動(dòng)函數(shù)Sdk(X)約為零(即，在穩(wěn)態(tài)下)時(shí)，PWM周期校正為零(ATsw=O),且系統(tǒng)工作在標(biāo)稱(chēng)頻率TN0M-1處。當(dāng)滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)的值下降至負(fù)閾值以下時(shí)(即，正負(fù)載跳變的情況下)，施加負(fù)校正使切換周期Tact更短。當(dāng)滑動(dòng)函數(shù)超過(guò)正閾值時(shí)(即，負(fù)負(fù)載跳變的情況下)，施加正校正Λ Tsff使切換周期Tact更長(zhǎng)。圖9示出了可替代為圖9結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制器2的結(jié)構(gòu)。該控制器的結(jié)構(gòu)基本與圖4的實(shí)例相同。然而，這里不需要包括斜坡校正的第四分支。類(lèi)似于圖4的實(shí)例，將輸出電壓Vo dig (V0=veef — Vtuirc=O)的比例和積分分量以及對(duì)電感電流的估計(jì)貢獻(xiàn)給滑動(dòng)函數(shù)Srae(X)。與圖4的實(shí)例相比，PWM信號(hào)SpwmF根據(jù)具有固定時(shí)鐘頻率的時(shí)鐘信號(hào)Sm來(lái)設(shè)置，而是在滑動(dòng)函數(shù)下降至閾值THR2以下時(shí)設(shè)置。此外，當(dāng)滑動(dòng)函數(shù)超過(guò)第二閾值THRl時(shí)，PWM信號(hào)Spwm被重置為零。兩個(gè)閾值均可使用當(dāng)滑動(dòng)函數(shù)離開(kāi)由兩個(gè)閾值THRl和THR2定義的窗口時(shí)分別觸發(fā)對(duì)PWM信號(hào)Spwm的設(shè)置或重置的窗口比較器來(lái)監(jiān)控。圖10示出了對(duì)根據(jù)圖9結(jié)構(gòu)實(shí)施的控制器的仿真結(jié)果。在時(shí)序圖左側(cè)，我們可以看出，降壓轉(zhuǎn)換器(Vkef=L 3V)工作在非常低的負(fù)載電流(iLOAD IOmA)處?？刂破鞴ぷ髟贒CM下，且因此，降壓轉(zhuǎn)換器僅在非常短的脈沖內(nèi)切換，并隨后保持三態(tài)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間(約30kHz切換頻率)。在時(shí)間t=lms處，負(fù)載電流突然上升至很高的值(iLOAD ^ 500mA)。因此，降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)始以非常高的切換頻率切換。然而，與圖4的實(shí)例不同，該切換頻率不通過(guò)時(shí)鐘預(yù)設(shè)。本文所述的各單個(gè)特征被獨(dú)立公開(kāi)，且公開(kāi)了兩個(gè)以上這種特征的任何組合，以達(dá)到基于作為整體的本說(shuō)明書(shū)根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員的一般性常識(shí)能夠?qū)嵤┻@些特征和組 合的程度，而不論這些特征或特征的組合是否解決了本文所公開(kāi)的任何問(wèn)題，而且不限定權(quán)利要求的范圍。本發(fā)明的這些方面可由任何這種單個(gè)特征或特征的組合構(gòu)成。鑒于之前的描述，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，將顯然可在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行各種修改。此外，本申請(qǐng)的范圍不意味著局限于本說(shuō)明書(shū)所述的過(guò)程、設(shè)備、制造、物質(zhì)組成、裝置、方法和步驟的具體實(shí)施方式
。因?yàn)楸绢I(lǐng)域一般技術(shù)人員從本發(fā)明的公開(kāi)中將很容易理解，根據(jù)本發(fā)明，可利用目前存在或后續(xù)將開(kāi)發(fā)的執(zhí)行與本文所述相應(yīng)實(shí)施方式基本相同的功能或?qū)崿F(xiàn)基本相同的效果的過(guò)程、設(shè)備、制造、物質(zhì)組成、裝置、方法或步驟。因此，所附權(quán)利要求旨在包括在其范圍內(nèi)的這些過(guò)程、設(shè)備、制造、物質(zhì)組成、裝置、方法或步驟。
權(quán)利要求
1.一種切換轉(zhuǎn)換器，包括 電源級(jí)，其接收輸入電壓以將它轉(zhuǎn)換成輸出電壓，并向可操作地耦接至所述電源級(jí)的負(fù)載提供負(fù)載電流，所述電源級(jí)包括承載電感電流的電感器；以及 數(shù)字控制器，其被配置為使用被供給所述電源級(jí)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，將所述輸出電壓調(diào)節(jié)為接近基準(zhǔn)電壓的電平，所述PWM信號(hào)具有占空比， 其中，所述數(shù)字控制器根據(jù)至少以下來(lái)定期計(jì)算數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)所述輸出電壓的數(shù)字表示、數(shù)字積分的輸出電壓值以及所述電感電流的數(shù)字估計(jì)，以及 其中，根據(jù)所計(jì)算的數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)來(lái)設(shè)置所述PWM信號(hào)的占空比。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述數(shù)字控制器被配置為計(jì)算對(duì)所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)有貢獻(xiàn)的數(shù)字斜坡信號(hào)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，通過(guò)根據(jù)由時(shí)鐘發(fā)生器提供的時(shí)鐘信號(hào)設(shè)置所述PWM信號(hào)以及根據(jù)所計(jì)算的數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)重置所述PWM信號(hào)來(lái)確定所述PWM信號(hào)的占空比。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，通過(guò)根據(jù)所計(jì)算的數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)設(shè)置和重置所述PWM信號(hào)來(lái)確定所述PWM信號(hào)的占空比。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所計(jì)算的數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)下降至第一閾值以下時(shí)，所述PWM信號(hào)被設(shè)定為高電平，以及當(dāng)所計(jì)算的數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)超過(guò)第二閾值時(shí)，所述PWM信號(hào)被重置為低電平。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一閾值和所述第二閥值相等，或者其中，所述第一閾值和所述第二閥值二者均等于零。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，根據(jù)所述電源級(jí)的類(lèi)型以及根據(jù)所述電感器是積聚還是分散能量，所述電感電流的數(shù)字估計(jì)分別至少基于以下獲得所述輸入電壓、所述基準(zhǔn)電壓或所述輸出電壓、以及所述輸入電壓與所述基準(zhǔn)電壓或所述輸出電壓之間的差值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的切換轉(zhuǎn)換器，還包括零電流檢測(cè)電路，其被配置為當(dāng)所述電感電流為零或低于零時(shí)發(fā)出信號(hào)，使得當(dāng)工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式下時(shí)檢測(cè)零電流階段，所述電感電流的數(shù)字估計(jì)或它的斜率在所述零電流階段期間被設(shè)置為零。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述切換轉(zhuǎn)換器是降壓轉(zhuǎn)換器，以及在電感電流上升的階段，分別根據(jù)所述輸入電壓與所述基準(zhǔn)電壓或所述輸出電壓的數(shù)字表示之間的差值來(lái)計(jì)算所述電感電流的數(shù)字估計(jì)，以及在電感電流下降的階段，根據(jù)所述基準(zhǔn)電壓或所述輸出電壓的數(shù)字表示來(lái)計(jì)算所述電感電流的數(shù)字估計(jì)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述切換轉(zhuǎn)換器是降壓轉(zhuǎn)換器，以及在電感電流上升的階段，分別根據(jù)所述輸入電壓與所述基準(zhǔn)電壓或所述輸出電壓的數(shù)字表示之間的差值來(lái)計(jì)算所述電感電流的數(shù)字估計(jì)，以及在電感電流下降的階段，根據(jù)所述基準(zhǔn)電壓或所述輸出電壓的數(shù)字表示來(lái)計(jì)算所述電感電流的數(shù)字估計(jì)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述切換轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器，以及在電感電流上升的階段，根據(jù)所述輸入電壓的數(shù)字表示來(lái)計(jì)算所述電感電流的數(shù)字估計(jì)，以及在電感電流下降的階段，分別根據(jù)所述輸入電壓與所述基準(zhǔn)電壓或所述輸出電壓的數(shù)字表示之間的差值來(lái)計(jì)算所述電感電流的數(shù)字估計(jì)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述切換轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器，以及在電感電流上升的階段，根據(jù)所述輸入電壓的數(shù)字表示來(lái)計(jì)算所述電感電流的數(shù)字估計(jì)，以及在電感電流下降的階段，分別根據(jù)所述輸入電壓與所述基準(zhǔn)電壓或所述輸出電壓的數(shù)字表示之間的差值來(lái)計(jì)算所述電感電流的數(shù)字估計(jì)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述PWM信號(hào)被設(shè)置為高電平時(shí)，所述數(shù)字控制器檢測(cè)電感電流上升的階段，以及當(dāng)所述PWM信號(hào)被設(shè)置為低電平且未發(fā)出零電流階段信號(hào)時(shí)，所述數(shù)字控制器檢測(cè)電感電流下降的階段。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，計(jì)算所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)包括數(shù)字積分所述電感電流的數(shù)字估計(jì)來(lái)獲得積分值，以及定期從所述電感電流的數(shù)字估計(jì)中減去所述積分值的一部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，計(jì)算所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)包括數(shù)字積分所述電感電流的數(shù)字估計(jì)來(lái)獲得積分值，對(duì)所述積分值低通濾波，以及從所述積分值中減去 低通濾波后的積分值。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述時(shí)鐘信號(hào)具有根據(jù)所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)的值改變的時(shí)鐘頻率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)下降至第三閥值以下時(shí)，所述時(shí)鐘頻率增加，以及當(dāng)所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)超過(guò)第四閥值時(shí)，所述時(shí)鐘頻率減小。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，當(dāng)所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)為負(fù)時(shí)，所述時(shí)鐘頻率增加，以及其中，當(dāng)所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)為正時(shí)，所述時(shí)鐘頻率減小。
19.根據(jù)權(quán)利要求8所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述數(shù)字控制器被配置為在所述零電流階段，只要所述數(shù)字滑動(dòng)函數(shù)在第五閥值以上，便抑制向所述電感器的電流供給。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的切換轉(zhuǎn)換器，其中，所述第五閾值等于零。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于DC/DC轉(zhuǎn)換器的數(shù)字控制器。實(shí)施方式的切換轉(zhuǎn)換器包括電源級(jí)，其接收輸入電壓以將它轉(zhuǎn)換成輸出電壓，并向可操作地耦接至電源級(jí)的負(fù)載提供負(fù)載電流。該電源級(jí)包括承載電感電流的電感器；以及數(shù)字控制器，其被配置為使用供給電源級(jí)的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，將輸出電壓調(diào)節(jié)為接近基準(zhǔn)電壓的電平。
文檔編號(hào)H02M3/157GK102957320SQ20121029816
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月19日
發(fā)明者馬特奧·阿戈斯蒂內(nèi)利, 斯特凡諾·馬爾西利, 羅伯特·普里維瑟 申請(qǐng)人:英飛凌科技奧地利有限公司