專利名稱：提供開關(guān)式電源內(nèi)改善的動態(tài)調(diào)整的模數(shù)變換器傳遞函數(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源電路，具體地說，涉及用于開關(guān)式電源電路的數(shù)字控制系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
開關(guān)式電源是在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的，用來將可得到的直流(DC)或交流(AC)電平電壓變換成另一個DC電平電壓。降壓變換器是一種特別的開關(guān)式電源，它通過切換進(jìn)入與負(fù)載連接的輸出電感器的電流的流動有選擇地將能量存儲在輸出電感器內(nèi)，為負(fù)載提供經(jīng)調(diào)整的DC輸出電壓。它包括兩個通常用MOSFET晶體管配置的功率開關(guān)。與負(fù)載并聯(lián)的濾波電容器降低輸出電流的紋波。脈寬調(diào)制(PWM)控制電路用來以交替方式控制功率開關(guān)的選通，以控制輸出電感器內(nèi)電流的流動。PWM控制電路用通過反饋環(huán)路傳送的反映輸出電壓和/或電流電平的信號，根據(jù)變化的負(fù)載狀況調(diào)整施加給功率開關(guān)的工作循環(huán)。
傳統(tǒng)的PWM控制電路用諸如運(yùn)算放大器、比較器和象用于環(huán)路補(bǔ)償?shù)碾娮杵骱碗娙萜髂菢拥臒o源器件之類的模擬電路組件以及某些象邏輯門和觸發(fā)器那樣的數(shù)字電路組件構(gòu)成。但是，所希望的是完全使用數(shù)字電路來代替模擬電路組件，因?yàn)閿?shù)字電路占用較小的物理空間，汲取較少的功率，而且可以實(shí)現(xiàn)可編程功能或自適應(yīng)控制技術(shù)。傳統(tǒng)的數(shù)字控制電路包括將表示需控制的信號(例如，輸出電壓(Vo))與基準(zhǔn)之差的誤差信號變換成具有n個比特的數(shù)字信號的模數(shù)變換器(ADC)。數(shù)字控制電路用數(shù)字誤差信號控制數(shù)字脈寬調(diào)制器，數(shù)字脈寬調(diào)制器給具有工作循環(huán)的功率開關(guān)提供控制信號，使得電源的輸出值跟蹤基準(zhǔn)。為了使PWM控制電路比較簡單，所希望的是保持?jǐn)?shù)字信號的比特?cái)?shù)比較少。然而同時，為了提供分辨力足以保證對輸出值的精確控制，需要數(shù)字信號的比特?cái)?shù)足夠多。此外，ADC需要非常迅速地響應(yīng)變化的負(fù)載狀況。當(dāng)前的微處理器呈現(xiàn)供電電流轉(zhuǎn)換速率高達(dá)20A/μs，而將來的微處理器預(yù)計(jì)要達(dá)到轉(zhuǎn)換速率高于350A/μs，從而要求電源能極快響應(yīng)。
在電源控制電路應(yīng)用中使用了單級(即，快速)ADC的布局，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅Ｐ〉牡却龝r間(即，對于一個特定采樣的輸入與輸出之間的總延遲)。如果用標(biāo)準(zhǔn)的快速ADC器件以所希望的分辨力(例如，5mV)來量化整個調(diào)整器輸出電壓范圍，該器件勢必需要大量會耗散不希望的功率量的比較器。在正常工作的情況下，調(diào)整器的輸出電壓Vo保持在一個小的窗口內(nèi)，這意味著ADC不需要在整個范圍上都具有高的分辨力。因此，“窗式”ADC的布局允許在由基準(zhǔn)電壓(Vref)跟蹤的比較小的電壓范圍上是高分辨力的。由于量化窗口跟蹤基準(zhǔn)電壓Vref，因此ADC所產(chǎn)生的信號將是電壓誤差信號。所以，窗式ADC提供了ADC和誤差放大器的雙重功能，從而進(jìn)一步減少器件和所關(guān)聯(lián)的功率損耗。
盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但窗式ADC的布局的缺點(diǎn)是器件可能由于導(dǎo)致窗口范圍被超出的瞬時負(fù)載狀況而進(jìn)入飽和。舉例來說，一個窗口為4比特的ADC的最低有效位(LSB)的分辨力為約5mV。這意味著小到只有±40mV的輸出電壓誤差就可以將ADC推入飽和。然后，即使實(shí)際誤差可能變得甚至更大，但ADC將繼續(xù)反映同樣的誤差信號(即，最大值)，這稱為數(shù)字控制系統(tǒng)的“完結(jié)”狀況。在這種完結(jié)狀況下反饋環(huán)路的反應(yīng)可能難以預(yù)測，因?yàn)闆]有精確的誤差大小的信息，數(shù)字控制系統(tǒng)就不再起線性系統(tǒng)的作用。這種情況可能是特別有害的，因?yàn)榭赡苡捎谶^電流和/或過電壓而損害負(fù)載，而且也可能損害電源本身。
因此，有益的是提供一種能克服現(xiàn)有技術(shù)這些及其他一些缺點(diǎn)的對開關(guān)式電源進(jìn)行數(shù)字控制的系統(tǒng)和方法。具體地說，有益的是提供一種對具有窗式ADC布局的開關(guān)式電源進(jìn)行數(shù)字控制的系統(tǒng)和方法，可以在由瞬時負(fù)載狀況引起ADC飽和期間保持精確的電壓調(diào)整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有數(shù)字控制系統(tǒng)的開關(guān)式電源。具體地說，這種電源包括至少一個適合在電源的輸入和輸出端之間輸送功率的功率開關(guān)和一個適合響應(yīng)電源輸出測量結(jié)果控制這至少一個功率開關(guān)的操作的數(shù)字控制器。
數(shù)字控制器包括一個提供表示輸出測量結(jié)果與基準(zhǔn)值之間的電壓差的數(shù)字誤差信號的模數(shù)變換器；一個根據(jù)先前的誤差信號和先前的控制輸出之和提供數(shù)字控制輸出的數(shù)字濾波器；一個適合根據(jù)誤差狀況修改數(shù)字濾波器的操作的誤差控制器；以及一個向功率開關(guān)提供脈寬與數(shù)字控制輸出相應(yīng)的控制信號的數(shù)字脈寬調(diào)制器。模數(shù)變換器進(jìn)一步包括一個具有定義電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的關(guān)系的傳遞函數(shù)的窗式快速模數(shù)變換器。傳遞函數(shù)在相應(yīng)的誤差窗口的中央提供了一個基本上線性的區(qū)域。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，模數(shù)變換器的傳遞函數(shù)還包括一個處在誤差窗口中央的第一步長和至少一個處在誤差窗口周邊區(qū)域的大于第一步長的其他步長。第一步長和其他步長各可以反映電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的線性關(guān)系?；蛘?，也可以是第一步長反映電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的線性關(guān)系，而其他步長各反映電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的非線性關(guān)系。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，提供了一種控制具有至少一個適合在電源的輸入和輸出端之間輸送功率的功率開關(guān)的電源的方法。這種方法包括下列步驟接收電源的輸出測量結(jié)果；對輸出測量結(jié)果采樣，以按照定義電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的關(guān)系的、在相應(yīng)誤差窗口中央處具有基本上線性的區(qū)域的傳遞函數(shù)提供與輸出測量結(jié)果與基準(zhǔn)值之間的電壓差相應(yīng)的數(shù)字誤差信號；對數(shù)字誤差信號進(jìn)行濾波，以根據(jù)先前的誤差信號和先前的控制輸出之和提供數(shù)字控制輸出；以及將脈寬與數(shù)字控制輸出相應(yīng)的控制信號提供給至少一個功率開關(guān)。傳遞函數(shù)可以進(jìn)一步包括一個處在誤差窗口中央的第一步長和至少一個處在誤差窗口周邊區(qū)域的其他步長，其他步長都大于第一步長。第一步長和其他步長各可以具有電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的線性關(guān)系?；蛘撸部梢允堑谝徊介L反映電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的線性關(guān)系，而其他步長各反映電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的非線性關(guān)系。


從以下參考附圖對優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明中，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員可以更為全面地理解對具有選擇成使動態(tài)范圍得到改善的ADC傳遞函數(shù)的開關(guān)式電源進(jìn)行數(shù)字控制的系統(tǒng)和方法以及本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和目的，在這些附圖中圖1示出了具有數(shù)字控制電路的開關(guān)式電源；圖2示出了提供高、低飽和信號的窗式快速ADC；圖3示出了具有無限沖激響應(yīng)濾波器和誤差控制器的數(shù)字控制器；圖4為示出線性ADC傳遞函數(shù)的曲線圖；圖5為示出按照本發(fā)明的一個實(shí)施例設(shè)計(jì)的在窗口邊界處步長增大的線性ADC傳遞函數(shù)的曲線圖；以及圖6為示出按照本發(fā)明的另一個實(shí)施例設(shè)計(jì)的在窗口邊界處步長增大和增益增大的非線性ADC傳遞函數(shù)的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種對開關(guān)式電源進(jìn)行數(shù)字控制的方法。具體地說，本發(fā)明提供了一種對具有窗式ADC布局的開關(guān)式電源進(jìn)行數(shù)字控制的方法，可以在由瞬時負(fù)載狀況引起ADC飽和期間保持精確調(diào)整。在以下的詳細(xì)說明中，同樣的單元標(biāo)號用來標(biāo)注在一個或多個圖內(nèi)所示的同樣的單元。
圖1示出了按照本發(fā)明的一個實(shí)施例設(shè)計(jì)的具有數(shù)字控制電路的示范性開關(guān)式電源10。電源10包括將輸入DC電壓Vin變換成輸出DC電壓Vo加到電阻性負(fù)載20(Rload)上的降壓變換器的布局。電源10包括一對用MOSFET器件配置的功率開關(guān)12、14。高側(cè)功率開關(guān)12的源極端接到輸入電壓Vin上，低側(cè)功率開關(guān)14的源極端接地，而功率開關(guān)12、14的漏極端接在一起確定一個相節(jié)點(diǎn)。輸出電感器16串聯(lián)在相節(jié)點(diǎn)與提供輸出電壓Vo的端子之間，而電容器18與電阻性負(fù)載Rload并聯(lián)。相應(yīng)的驅(qū)動器22、24交替地對功率開關(guān)12、14的柵極端進(jìn)行驅(qū)動。驅(qū)動器22、24又由數(shù)字控制電路30控制(在下面說明)。功率開關(guān)12、14的通、斷提供在相節(jié)點(diǎn)上具有大體矩形波形的中間電壓，由輸出電感器16和電容器18形成的濾波器將矩形波形變換成基本上為DC的輸出電壓Vo。
數(shù)字控制電路30接收來自電源10的輸出部分的反饋信號。如圖1所示，反饋信號與輸出電壓Vo相應(yīng)，雖然可以理解反饋信號也可以(或還可以)與電阻性負(fù)載Rload所汲取的輸出電流或表示需由數(shù)字控制電路30控制的任何其他信號相應(yīng)。反饋通道還可以包括將所檢測的輸出電壓Vo降低到典型電壓電平的分壓器(未示出)。數(shù)字控制電路30提供工作循環(huán)被控制成將輸出電壓Vo(或輸出電流)調(diào)整到所希望的電平的脈寬調(diào)制波形。即使這個示范性的電源10示為具有降壓變換器的布局，但可以理解這種用數(shù)字控制電路30對電源10進(jìn)行的反饋環(huán)路控制同樣適用于諸如隔離和非隔離結(jié)構(gòu)的升壓和降壓-升壓變換器之類的其他已知電源的布局和稱為電壓模式、電流模式、電荷模式和/或平均電流模式控制器的不同控制策略。
具體地說，數(shù)字控制電路30包括模數(shù)變換器(ADC)32、數(shù)字控制器34和數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)36。ADC32還包括接收作為輸入的反饋信號(即，輸出電壓Vo)和電壓基準(zhǔn)(Ref)、產(chǎn)生表示輸入之差(Ref-Vo)的數(shù)字電壓誤差信號(VEdk)的窗式快速ADC。數(shù)字控制器34具有將電壓誤差信號VEdk變換成數(shù)字輸出提供給DPWM36的傳遞函數(shù)G(z)，DPWM36將該信號變換成具有成比例的脈寬的波形(PWMk)。如以上所說明的那樣，DPWM36所產(chǎn)生的脈沖調(diào)制波形PWMk通過相應(yīng)的驅(qū)動器22、24接到功率開關(guān)12、14的柵極端上。
圖2示出了用于數(shù)字控制電路30的示范性窗式快速ADC40。ADC40接收作為輸入的電壓基準(zhǔn)Ref和輸出電壓Vo。電壓基準(zhǔn)加到包括串聯(lián)在基準(zhǔn)電壓端與接到正電源電壓(VDD)上的電流源之間的電阻器42A、42B、42C、42D和串聯(lián)在基準(zhǔn)電壓端與接地的電流源之間的電阻器44A、44B、44C、44D的電阻階梯的中央。這些電阻器各有相應(yīng)的電阻值，與電流源一起確定多個高于和低于電壓基準(zhǔn)Ref的電壓增量。電阻值和/或電流源的大小可以選擇成確定ADC40的LSB分辨力。包括多個正側(cè)比較器46A、46B、46C、46D和多個負(fù)側(cè)比較器48A、48B、48C、48D的比較器陣列接到電阻階梯上。正側(cè)比較器46A、46B、46C、46D各有一個接到輸出電壓Vo上的非倒相輸入端和一個接到電阻器42A、42B、42C、42D中的相應(yīng)電阻器上的倒相輸入端。類似地，負(fù)側(cè)比較器48A、48B、48C各有一個接到輸出電壓Vo上的非倒相輸入端和一個接到電阻器44A、44B、44C、44D中的相應(yīng)電阻器上的倒相輸入端。負(fù)側(cè)比較器48D有一個接地的非倒相輸入端和接到輸出電壓Vo上的倒相輸入端?？梢岳斫?，可以包括多一些的電阻器和比較器，以增大電壓增量數(shù)，從而增大ADC40的范圍，而圖2中只是示范性地示出了數(shù)量有限的電阻器和比較器。
ADC40還包括與比較器46A、46B、46C和48A、48B、48C的輸出端連接的邏輯器件52。邏輯器件52接收比較器輸出，提供表示數(shù)字電壓誤差VEdk的多比特(例如，4比特)并行輸出。舉例來說，超過基準(zhǔn)電壓Ref一又二分之一個電壓增量的輸出電壓Vo將使比較器46B、46A、48A、48B和48C的輸出成為高電平，而使比較器46C、46D和48D的輸出保持為低電平。邏輯器件52將這解釋為邏輯電平9(或二進(jìn)制的1001)，產(chǎn)生所關(guān)聯(lián)的電壓誤差信號VEdk。可以理解，電壓基準(zhǔn)Ref是可變的，以便移動ADC40的窗口。如果輸出電壓Vo超過電阻階梯的最高電壓增量，比較器46D的輸出端就提供一個HIGH(高)飽和信號。類似地，如果輸出電壓Vo低于電阻階梯的最低電壓增量，比較器48D的輸出端就提供一個LOW(低)飽和信號。
在傳統(tǒng)的窗式快速ADC中，電阻器44A、44B、44C、44D具有同樣的阻值，從而確定高于和低于基準(zhǔn)電壓Ref的n個等間隔的電壓基準(zhǔn)。n個比較器46A、46B、46C和48A、48B、48C將實(shí)際輸出電壓Vo與這n個電壓基準(zhǔn)相比較，產(chǎn)生相應(yīng)的“溫度計(jì)式”代碼，使得比較器0至X都具有為1的輸出而比較器X+1至n都具有為0的輸出，其中X取決于Vo信號的電壓幅度。
可以理解，窗式快速ADC40能變換成數(shù)字信號的范圍受各基準(zhǔn)電壓之間的步長和比較器的數(shù)量限制。為了使電路的復(fù)雜性保持在合理的程度，一個示范性的實(shí)現(xiàn)可以包括16個比較器。電路的步長應(yīng)該通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮杵鞯淖柚当３肿銐蛐?例如，5mV)，以在反饋環(huán)路內(nèi)提供足夠的分辨力。步長直接與輸出電壓的靜態(tài)調(diào)整以及由于誤差信號的量化而添加給輸出電壓的噪聲有關(guān)。在有16個比較器和步長為5mV的情況下，總窗口只有±40mV。在電源10的輸出有突然和大的電流改變(例如，由于負(fù)載電流改變)時，動態(tài)的電壓偏移可以很容易超過40mV。在這種情況下，ADC40飽和，電壓誤差信號VEdk就不再是線性的，即它不與實(shí)際誤差成正比。如以上所說明的那樣，比較器46D的輸出端提供一個反映這個飽和狀況的HIGH飽和信號。
圖4例示了根據(jù)傳統(tǒng)的窗式快速ADC的線性ADC傳遞函數(shù)的曲線圖。曲線圖的水平維反映輸入邏輯器件52的模擬誤差信號，而垂直維反映邏輯器件的數(shù)字輸出。如圖所示，由于電阻選擇成具有統(tǒng)一的提供同樣的電壓增量的阻值，從而按統(tǒng)一的增量使數(shù)字輸出值與輸入誤差信號映射，因此在變換窗口內(nèi)ADC的輸入模擬誤差信號與數(shù)字輸出之間有線性關(guān)系。結(jié)果，ADC的實(shí)用窗口尺寸是相當(dāng)有限的，這有一定的缺點(diǎn)。也就是說，它使反饋系統(tǒng)在大而突然的負(fù)載變化期間成為非線性的，這往往使它在這種情況下難以保證穩(wěn)定性。此外，在由于飽和而對輸出的校正改變很大使它立刻下降到進(jìn)入反向飽和時，電路可能成為不穩(wěn)定的，產(chǎn)生在ADC窗口邊界之間的界限循環(huán)振蕩。
圖5例示了按照本發(fā)明的一個實(shí)施例的步長被改變的ADC傳遞函數(shù)的曲線圖。如在圖4中的那樣，曲線圖的水平維反映輸入邏輯器件52的模擬誤差信號，而垂直維反映邏輯器件的數(shù)字輸出。通過在靠近ADC窗口的邊界的區(qū)域使用不同的電阻值，使得步長在這些邊界區(qū)域內(nèi)增大。此外，將邏輯器件52改變成使得將比較器輸出的“溫度計(jì)式”代碼映射為與在窗口邊界增大的步長匹配的數(shù)字值。這使ADC的總傳遞函數(shù)保持線性。雖然窗口整體得到增大，但增益基本上不受影響。在ADC的邊界區(qū)域分辨力減小是可接受的，因?yàn)锳DC的穩(wěn)態(tài)電壓總是在零誤差附近(假設(shè)控制器傳遞函數(shù)在零處具有一個極點(diǎn))。在零誤差處，分辨力與前面的實(shí)施例相同，因此穩(wěn)定性和輸出電壓精度不受影響。ADC的更大步長只在大的動態(tài)改變(即，負(fù)載電流階躍增大或減小)期間影響電路。由于這是一個動態(tài)過程，調(diào)整的精度不是重要的，但是通過提供與實(shí)際誤差成正比的增益數(shù)可以改善電路整體穩(wěn)定性。
圖5這個實(shí)施例例示了使用兩個不同的步長，即處在ADC窗口中央的第一步長和處在窗口周邊區(qū)域的較大的第二步長?？梢岳斫猓部梢詮奶幵贏DC窗口中央的第一步長到處在周邊的第二步長有多個中間的漸變步長。然而，這些漸變的步長各映射為與相應(yīng)步長匹配的數(shù)字值，以使ADC總傳遞函數(shù)保持線性。
雖然圖5的ADC傳遞函數(shù)增大了ADC窗口尺寸以改善穩(wěn)定性的穩(wěn)健性和在較大的窗口尺寸上提供ADC輸入與輸出之間的線性關(guān)系，但它在瞬時調(diào)整狀況期間并不提供更快的穩(wěn)定時間。在圖6所示的實(shí)施例中，傳遞函數(shù)進(jìn)一步修改成如在前面的實(shí)施例中那樣增大在窗口邊界處的步長，而且還使傳遞函數(shù)朝向窗口邊界是非線性的，使得向控制器36報告的誤差大于實(shí)際值。在窗口的中央，步長和映射為數(shù)字值的情況與前面的實(shí)施例中的相同。但是，在窗口的周邊區(qū)域，數(shù)字輸出的數(shù)值并不是與模擬輸入的階躍增大成比例地增大。這種在窗口的周邊區(qū)域內(nèi)的非線性映射有助于對大的動態(tài)誤差加速反饋環(huán)路，而不改變在穩(wěn)態(tài)狀況下的小信號穩(wěn)定性。如在前面的實(shí)施例中那樣，曲線圖的水平維反映輸入邏輯電路52的模擬誤差信號，而垂直維反映邏輯電路的數(shù)字輸出?？梢岳斫猓贏DC窗口的周邊可以有多個漸變步長和映射為數(shù)字值的情況。
現(xiàn)在再來看圖3，圖中示出了具有數(shù)字濾波器和ADC62的數(shù)字控制器。數(shù)字濾波器進(jìn)一步包括根據(jù)以前的電壓誤差輸入VEdk和以前的輸出PWM′k產(chǎn)生輸出PWM′k的無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波器。如以上所說明的那樣，ADC40提供電壓誤差輸入VEdk。數(shù)字濾波器輸出PWM′k提供給數(shù)字脈寬調(diào)制器(DPWM)36，數(shù)字脈寬調(diào)制器36將脈寬調(diào)制控制信號(PWMk)提供給電源的功率開關(guān)。
IIR濾波器以方框圖形式示出，包括多個第一延遲寄存器72、74、...、76(各標(biāo)為z-1)、多個具有系數(shù)71、73、...、77(標(biāo)為C0、C1、...、Cn)的第一數(shù)學(xué)運(yùn)算器(乘法器)、多個第二數(shù)學(xué)運(yùn)算器(加法器)92、94、96、多個第二延遲寄存器82、84、...、86(各標(biāo)為z-1)和多個具有系數(shù)83、87(標(biāo)為B1、...、Bn)的第三數(shù)學(xué)運(yùn)算器(乘法器)。第一延遲寄存器72、74、76各保存電壓誤差VEdk以前的一個采樣，這個采樣再用系數(shù)71、73、77中的一個相應(yīng)系數(shù)加權(quán)。類似地，第二延遲寄存器82、84、86各保存輸出PWM′k以前的一個采樣，這個采樣再用系數(shù)83、87中的一個相應(yīng)系數(shù)加權(quán)。加法器92、94和96將經(jīng)加權(quán)的輸入和輸出采樣合并在一起?？梢岳斫?，IIR濾波器內(nèi)可以包括多一些的延遲寄存器和系數(shù)，而圖3中只是示范性地示出了有限的幾個。圖3中所示的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)是以下傳遞函數(shù)G(z)的示范性實(shí)現(xiàn)G(z)=PWM(z)VEd(z)=C0+C1·z-1+C2·z-2+...+Cn·z-n1-B1·z-1-B2·z-2-...-Bn·z-n]]>誤差控制器62接收多個反映ADC40和數(shù)字濾波器的誤差狀況的輸入信號。具體地說，誤差控制器62接收來自ADC40的分別反映輸出電壓Vo高于和低于ADC電壓窗口的HIGH和LOW飽和信號。數(shù)學(xué)運(yùn)算器(加法器)92、94、96各向誤差控制器62提供一個反映數(shù)學(xué)運(yùn)算器的溢出狀況(即，進(jìn)位比特)的溢出信號。數(shù)字濾波器還包括在到達(dá)上、下范圍極限時對輸出PWM′k限幅的范圍限制器81。在這種情況下，范圍限制器81為誤差控制器62提供相應(yīng)的極限信號。
誤差控制器62用這些輸入信號改變數(shù)字濾波器的操作，以便改善數(shù)字濾波器對改變的負(fù)載狀況的響應(yīng)性。誤差控制器62與各個第一延遲寄存器72、74、76和第二延遲寄存器82、84、86連接，以使得能對存儲在其中的值復(fù)位和/或預(yù)置。如在這里所使用的，“復(fù)位”是指將值設(shè)置為初始值(例如，零)，而“預(yù)置”是指將值設(shè)置為另一個預(yù)定數(shù)值。特別是，誤差控制器62可以用改變電源特性的預(yù)定值代替電壓誤差VEdk和輸出PWM′k以前的采樣。數(shù)字控制器還包括允許在PWM′k輸出信號和誤差控制器62所提供的預(yù)定輸出信號之間進(jìn)行選擇的多路轉(zhuǎn)換器64。誤差控制器62所提供的選擇信號確定讓哪個信號通過多路轉(zhuǎn)換器64。在ADC40進(jìn)入HIGH或LOW飽和時，誤差控制器62通過控制多路轉(zhuǎn)換器64將PWM′k信號設(shè)置為特定的預(yù)定值(或一系列部分取決于以前采樣的值)。為了從這種狀況平滑地恢復(fù)，誤差控制器也可以通過再加載多個第一延遲寄存器72、74、76和多個第二延遲寄存器82、84、86，改變經(jīng)延遲的輸入和輸出采樣。這將保證反饋環(huán)路在ADC40從飽和恢復(fù)時的受控特性。
舉例來說，如果ADC40所遭受的是正飽和，即LOW信號從低電平狀態(tài)改變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，就可以將PWM′k采樣復(fù)位為零，以有助于減小誤差。通過將PWM′k采樣復(fù)位為零，傳送給電源10的高側(cè)功率開關(guān)12的脈寬趨于零，從而有效地?cái)嚅_對電阻性負(fù)載20(見圖1)的供電。為了從這種情況平滑地恢復(fù)，也可以將采樣PWM′k-1、PWM′k-2、...、PWM′k-n復(fù)位為零或者預(yù)置為另一值以便允許平滑恢復(fù)。類似地，如果ADC40所遭受的是負(fù)飽和，即HIGH信號從低電平狀態(tài)改變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，就可以將PWM′k采樣預(yù)置為最大值，以增大傳送給高側(cè)功率開關(guān)12的脈寬，減小誤差。此外，在發(fā)生數(shù)字濾波器內(nèi)部數(shù)字溢出時，誤差控制器62可以采取措施防止電源功率開關(guān)的不受控制的命令，諸如改變數(shù)字濾波器的輸入和輸出采樣。
從上面對數(shù)字控制開關(guān)式電源的方法的優(yōu)選實(shí)施例的說明中，熟悉該技術(shù)領(lǐng)域的人員顯然可以看到業(yè)已實(shí)現(xiàn)了這種系統(tǒng)的一定優(yōu)點(diǎn)。也應(yīng)該理解，在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行各種修改、調(diào)整和替換。本發(fā)明進(jìn)一步由以下權(quán)利要求書定義。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)式電源，所述開關(guān)式電源包括至少一個適合在所述電源的輸入和輸出端之間輸送功率的功率開關(guān)；以及一個適合響應(yīng)所述電源的輸出測量結(jié)果控制所述至少一個功率開關(guān)的操作的數(shù)字控制器，所述數(shù)字控制器包括一個提供表示所述輸出測量結(jié)果與基準(zhǔn)值之間的電壓差的數(shù)字誤差信號的模數(shù)變換器，所述模數(shù)變換器進(jìn)一步包括一個具有定義所述電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的關(guān)系的傳遞函數(shù)的窗式快速模數(shù)變換器，所述傳遞函數(shù)在相應(yīng)誤差窗口的中央具有一個基本上線性的區(qū)域，所述傳遞函數(shù)還包括一個處在所述誤差窗口的所述中央處的第一步長和至少一個處在所述誤差窗口的周邊區(qū)域的其他步長，所述至少一個其他步長都大于所述第一步長；一個根據(jù)當(dāng)前和先前的誤差信號與先前的控制輸出之和提供數(shù)字控制輸出的數(shù)字濾波器；以及一個向所述至少一個功率開關(guān)提供控制信號的數(shù)字脈寬調(diào)制器，所述控制信號具有與所述數(shù)字控制輸出相應(yīng)的脈寬。
2.權(quán)利要求1的電源，其中所述第一步長和所述至少一個其他步長都反映所述電壓差與所述相應(yīng)數(shù)字值之間的線性關(guān)系。
3.權(quán)利要求1的電源，其中所述第一步長反映所述電壓差與所述相應(yīng)數(shù)字值之間的線性關(guān)系，而所述至少一個其他步長反映所述電壓差與所述相應(yīng)數(shù)字值之間的非線性關(guān)系。
4.權(quán)利要求1的電源，其中所述窗式快速模數(shù)變換器提供反映所述模數(shù)變換器負(fù)飽和的HIGH信號和反映所述模數(shù)變換器正飽和的LOW信號。
5.權(quán)利要求1的電源，其中所述數(shù)字濾波器還包括一個無限沖激響應(yīng)濾波器。
6.權(quán)利要求5的電源，其中所述無限沖激響應(yīng)濾波器提供以下傳遞函數(shù)G(z)G(z)=PWM(z)VEd(z)=C0+C1·z-1+C2·z-2+...+Cn·z-n1-B1·z-1-B2·z-2-...-Bn·z-n]]>其中PWM(z)為數(shù)字控制輸出，VEd(z)為誤差信號，C0、...、Cn為輸入側(cè)系數(shù)，而B1、...、Bn為輸出側(cè)系數(shù)。
7.權(quán)利要求1的電源，其中所述數(shù)字濾波器還包括一個適合在達(dá)到上或下范圍極限時對所述數(shù)字控制輸出進(jìn)行限幅的范圍限制器。
8.權(quán)利要求7的電源，其中所述范圍限制器在達(dá)到所述上或下范圍極限時向所述誤差控制器提供極限信號。
9.權(quán)利要求1的電源，其中所述數(shù)字控制器還包括一個與所述誤差控制器和所述數(shù)字濾波器連接的多路轉(zhuǎn)換器，所述誤差控制器根據(jù)所述誤差狀況向所述多路轉(zhuǎn)換器提供傳送給所述數(shù)字脈寬調(diào)制器的替代數(shù)字控制輸出。
10.權(quán)利要求1的電源，所述電源還包括一個適合根據(jù)誤差狀況修改所述數(shù)字濾波器的操作的誤差控制器。
11.權(quán)利要求10的電源，其中所述誤差控制器還適合根據(jù)所述誤差狀況用預(yù)定值預(yù)置所述以前的誤差信號中的至少一個誤差信號。
12.權(quán)利要求10的電源，其中所述誤差控制器還適合根據(jù)所述誤差狀況用預(yù)定值預(yù)置所述以前的控制輸出中的至少一個控制輸出。
13.權(quán)利要求10的電源，其中所述誤差控制器還適合根據(jù)所述誤差狀況將所述以前的誤差信號中的至少一個誤差信號復(fù)位為初始值。
14.權(quán)利要求10的電源，其中所述誤差控制器還適合根據(jù)所述誤差狀況將所述以前的控制輸出中的至少一個控制輸出復(fù)位為初始值。
15.權(quán)利要求10的電源，其中所述誤差狀況還包括所述模數(shù)變換器飽和。
16.權(quán)利要求10的電源，其中所述誤差狀況還包括所述數(shù)字濾波器數(shù)學(xué)溢出。
17.一種控制開關(guān)式電源的方法，所述開關(guān)式電源包括至少一個適合在所述電源的輸入和輸出端之間輸送功率的功率開關(guān)，所述方法包括下列步驟接收所述電源的輸出測量結(jié)果；對所述輸出測量結(jié)果進(jìn)行采樣，以按照定義所述輸出測量結(jié)果與基準(zhǔn)值之間的電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的關(guān)系的傳遞函數(shù)，提供表示所述電壓差的數(shù)字誤差信號，所述傳遞函數(shù)在相應(yīng)誤差窗口的中央具有一個基本上線性的區(qū)域，所述傳遞函數(shù)還包括一個處在所述誤差窗口的所述中央處的第一步長和至少一個處在所述誤差窗口的周邊區(qū)域的其他步長，所述至少一個其他步長都大于所述第一步長；對所述數(shù)字誤差信號進(jìn)行濾波，以根據(jù)當(dāng)前和先前的誤差信號與先前的控制輸出之和提供數(shù)字控制輸出；以及向所述至少一個功率開關(guān)提供控制信號，所述控制信號具有與所述數(shù)字控制輸出相應(yīng)的脈寬。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述采樣步驟還包括提供反映負(fù)飽和狀態(tài)的HIGH信號和反映正飽和狀態(tài)的LOW信號。
19.權(quán)利要求17的方法，其中所述濾波步驟還包括用一個無限沖激響應(yīng)濾波器對所述數(shù)字誤差信號進(jìn)行濾波。
20.權(quán)利要求17的方法，其中所述濾波步驟還包括按照以下傳遞函數(shù)G(z)對所述數(shù)字誤差信號進(jìn)行濾波G(z)=PWM(z)VEd(z)=C0+C1·z-1+C2·z-2+...+Cn·z-n1-B1·z-1-B2·z-2-...-Bn·z-n]]>其中PWM(z)為數(shù)字控制輸出，VEd(z)為誤差信號，C0、...、Cn為輸入側(cè)系數(shù)，而B1、...、Bn為輸出側(cè)系數(shù)。
21.權(quán)利要求17的方法，其中所述濾波步驟還包括在達(dá)到上或下范圍極限時對所述數(shù)字控制輸出進(jìn)行限幅。
22.權(quán)利要求21的方法，其中所述濾波步驟還包括提供指示達(dá)到所述上或下范圍極限的極限信號。
23.權(quán)利要求17的方法，所述方法還包括根據(jù)所述誤差狀況提供替代數(shù)字控制輸出。
24.權(quán)利要求17的方法，其中所述第一步長和所述至少一個其他步長都反映所述電壓差與所述相應(yīng)數(shù)字值之間的線性關(guān)系。
25.權(quán)利要求17的方法，其中所述第一步長反映所述電壓差與所述相應(yīng)數(shù)字值之間的線性關(guān)系，而所述至少一個其他步長反映所述電壓差與所述相應(yīng)數(shù)字值之間的非線性關(guān)系。
全文摘要
一種電源包括至少一個適合在電源的輸入和輸出端之間傳送功率的功率開關(guān)和一個適合響應(yīng)電源輸出測量結(jié)果控制這至少一個功率開關(guān)的操作的數(shù)字控制器。所述數(shù)字控制器包括一個提供表示輸出測量結(jié)果與基準(zhǔn)值之間的電壓差的數(shù)字誤差信號的模數(shù)變換器，一個根據(jù)先前的誤差信號和先前的控制輸出之和提供數(shù)字控制輸出的數(shù)字濾波器，一個適合根據(jù)誤差狀況修改數(shù)字濾波器的操作的誤差控制器，以及一個向功率開關(guān)提供脈寬與所述數(shù)字控制輸出相應(yīng)的控制信號的數(shù)字脈寬調(diào)制器。所述模數(shù)變換器還包括一個具有定義電壓差與相應(yīng)數(shù)字值之間的關(guān)系的傳遞函數(shù)的窗式快速模數(shù)變換器。
文檔編號H02M3/157GK1930541SQ200580008060
公開日2007年3月14日 申請日期2005年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月12日
發(fā)明者阿萊恩·查普斯 申請人:大動力公司