專利名稱：確定dc-dc轉(zhuǎn)換器損耗的方法和及其dc-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及開關(guān)式電源，具體上說涉及在DC-DC轉(zhuǎn)換器中測度損耗和電流的方法，該方法使用這些測度來控制DC-DC轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
開關(guān)式電源優(yōu)于線性電源之處在于，例如，通過電壓或提供負(fù)電壓的能力，更重要的是其效率高。電源變換器的效率是一項極為重要的指標(biāo)，因為低效率直接導(dǎo)致功耗，而功耗少生熱，在電池供電的設(shè)備中則縮短電池壽命。已開發(fā)出多種功率減小方法來提供變換器在不同工作模式下的效率。這些功耗減小方法的例子包括變相(Phase shedding)、脈沖頻率調(diào)制和脈沖省略。在變相模式，例如有兩個相，第一種工作模式在低載下可僅采用一相，此時開關(guān)損耗就下降了 ；第二種工作模式是在重載下采用兩相，由此阻抗損耗下降了，如所示的圖線示出兩種模式下的效率對負(fù)載電流。理想情況是在兩種模式的功耗相同點(diǎn)處在兩種模式之間進(jìn)行切換，例如圖1所示， 大約是17安培(如點(diǎn)劃線所示)。傳統(tǒng)上，電源變換器沒有一項表征其功耗的度量信號。因為功耗無法測知，功率減小方法因而不能廣泛用于電源變換器來達(dá)到最高效率。取而代之的是，通常將功率減小方法配置成在一個具體預(yù)定點(diǎn)來切換工作模式。這些預(yù)定點(diǎn)是用于切換工作模式的最優(yōu)化估算值。在電源數(shù)控領(lǐng)域，一直在想方設(shè)法測度變換器效率。例如，帶有模式追蹤和參數(shù)估算的自適應(yīng)控制器(Abu-Qahouq, J. A. and L. Huang(2007)，Adaptive Controller with Mode Tracking and Parametric Estimation)。應(yīng)用電力電子會議(Applied Power Electronics Conference)倡導(dǎo)根據(jù)電源變換器的工作模式來提高效率。然而，該方法采用了輸入電流感測，因為需要另加傳感器而提高了成本。另外，電流感測技術(shù)實際上也造成功耗和/或噪聲及其他問題。另一個問題是，電源電流和開關(guān)電流可能需要不同的電源/ 電壓，其結(jié)果是輸入電流的測量不能用于功耗計算。所采用的另一項技術(shù)是一種用以使效率最大化的非參數(shù)法，其工作原理是占空因數(shù)相應(yīng)于功率變遷；通過最大限度地減小占空因數(shù)，功率損失也達(dá)到最小化。例如，在同步整流式DC-DC變換器中對死區(qū)時間的無傳感器式優(yōu)化aousefzadeh，V. and D. Maksimovic(2005), Sensorless optimization of dead times in DC-DC converters with synchronous rectifiers)。第20屆IEEE年會采用了這項技術(shù)來優(yōu)化功率級的死區(qū)時間。雖然該技術(shù)不用傳感器，占空因數(shù)信號受諸如輸入電壓和功率級增益之類的許多變動的參數(shù)影響，因此不適于需要估算絕對功率的場合。用該方法優(yōu)化電源變換器功耗之用途就受到了限制。本方法盡管適用于死區(qū)時間場合；但不能廣泛適用于功率減小方法。另外，功率因數(shù)值往往極不穩(wěn)定且有測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
因此，廣泛需要開發(fā)ー種用于估算電源變換器功耗的方法，可以根據(jù)這種估算來優(yōu)化功率變換器。這種估算也可用于其他目的，例如為用戶提供信息、和/或控制風(fēng)扇或其他冷卻裝置。本申請?zhí)峁┅`種方法，利用從控制電路取得的量值來測度變換器的功耗，而無需直接測量和比較輸入電流。本方法使用的量值可在電源變換器中廣泛用于其他目的而不增加電路的復(fù)雜性。本方法可以用于為控制目的提供反饋。在第一實施方式中，本方法估算變換器的理想增益而最大限度地減小控制器誤差，并利用該理想増益來估算功耗。本方法是ー種完美無偏的估算，其原因在于若控制器在工作，該估算值完全反映了功耗，因為該估算值與功耗是互補(bǔ)的。


圖1是ー圖線，示例出一雙相變換器之単相和雙相工作模式的效率；圖2是ー個現(xiàn)有的buck式開關(guān)型變換器；圖3是ー個采用前饋控制之控制器的結(jié)構(gòu)；圖4是ー個用于圖3電路結(jié)構(gòu)中的自動歸零回路；圖5示出一個用于變換器的損耗模型；圖6示出在雙相變換器中如何去確定各相之間的最優(yōu)變相點(diǎn)(drop point)；圖7a、7b、7c是用于計算各相間最優(yōu)變相點(diǎn)的電路之狀態(tài)圖，與圖6相應(yīng)；圖8示出另ー個實施例；圖9是ー項計算機(jī)模擬的結(jié)果，示明圖8實施例的性能；和圖10是又ー個實施例，示出ー種分布式電源之結(jié)構(gòu)，其中圍繞ー個系統(tǒng)布置了多個DC-DC變換器。優(yōu)選實施方式現(xiàn)在就參照圖2的buck式變換器來描述本方法；當(dāng)然，本方法也可用于其他類型的變換器。Buck式變換器使用一個開關(guān)將ー輸入電壓Vin與ー電感L相連通/斷開。該電感就以磁能形式儲存來自該輸入電壓的能量，而將其提供到ー個輸出端。利用一個電容C 來為該輸出V。削波。輸入電壓與輸出電壓之比取決于所述開關(guān)的占空因數(shù)d，通常將其調(diào)整成為保持一個恒定的輸出電壓。為此，該輸出電壓例如受到ー個模數(shù)變換器ADC的感測， 并將其與ー個所希望的輸出電壓r相比較，然后通過一條反饋回路作為ー個控制信號反饋回去來調(diào)整占空因數(shù)，該反饋回路例如包括一個積分器ht。這是本領(lǐng)域熟悉的技木。本申請依靠ー個設(shè)置在控制系統(tǒng)之反饋回路中的自動歸零電路來估算功率傳輸系中的損耗。該損耗估算值得自于自動歸零回路的自動歸零増益值。該值可以有幾種解釋， 例如(a)作為ー種功耗分量，可通過改變其他參數(shù)使其最小化，從而不必測度功耗就可使其最小化；(b)作為ー種估算功率傳輸系電阻損耗的手段；(c)若輸出功率已知，作為導(dǎo)出其輸入功率的因數(shù)；和(d)用于表征電感電流。同樣，可以操控自動歸零増益來計算用于在ー個多相功率變換器中加相或甩相的最優(yōu)點(diǎn)，由此在廣泛的狀態(tài)范圍內(nèi)提高效率。
依據(jù)所述控制回路的自動歸零增益進(jìn)行上述估算。現(xiàn)參照圖3的控制器來描述自動歸零回路。該控制器沒有積分性能，因此閉環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差不會是零。零穩(wěn)態(tài)誤差通常是 DC-DC變換器所要求的性能，為此在控制系統(tǒng)中引入一個前饋元件。圖3所示的控制系統(tǒng)包括一個控制器10，一個前饋元件，ー個數(shù)字式脈寬調(diào)制器(DPWM) 20，一個功率傳輸系30，和一個模數(shù)變換器40。通過引入自動歸零方案可應(yīng)對非理想因素。對于步進(jìn)式輸入的零穩(wěn)態(tài)誤差是ー個閉環(huán)buck調(diào)節(jié)器的理想性能，這是因為調(diào)節(jié)電位和受限循環(huán)(limit cycling)精度的因素。通過在電路之前放入一個積分器，是可能包容對步進(jìn)式輸入的零穩(wěn)態(tài)誤差的，然而，引入另外的相位滯后可能在控制回路中產(chǎn)生問題，特別是在這種控制回路構(gòu)成ー項自適應(yīng)控制方案之基礎(chǔ)的情況下。自動歸零控制回路將穩(wěn)態(tài)控制誤差驅(qū)動到零，在DC-DC變換器中的元器件公差和輸入電壓偏移的情況，確保了正確的輸出電壓。所述自動歸零方案的一個有趣的性能是回路增益在輸入電壓波動的情況下仍保持恒定，也就是說提供了一種更魯棒的補(bǔ)償。為了清楚說明起見，首先考慮歸零控制誤差方法，其次考慮在輸入電壓波動的情況下確保正確的輸出電壓，最后介紹ー種用于應(yīng)對元器件公差的校準(zhǔn)方案。自動歸零方案在圖4所示的數(shù)控回路中，依DC增益標(biāo)列出了該回路的各個組成部分。該控制回路包括一個控制器20，ー個DPWM/電路20，一個反饋微分器f，ー個ADC 40，和ー個增益調(diào)
整因數(shù)Kz。調(diào)整增益Kz有兩個主要功能1、為步進(jìn)式輸入提供歸零控制誤差。若沒有它，回路增益僅會抑制恒定的擾量而產(chǎn)生非零控制誤差，這正是其有限性。2、反制Vin的波動，對線提供線路調(diào)整率和恒定回路増益。有效地提供線電壓前饋而毋需測量Vin。反饋微分器f將輸出電壓予以轉(zhuǎn)換，從而滿量程電壓(V。= Vin)對應(yīng)于來自ADC 40的滿程數(shù)碼，即f=Vref/Vin (其中 表示標(biāo)稱電壓)。實際上，f可以分開為模擬和數(shù)字域，例如f = fan · fdig = (1/4) ( 4/Vin )，其中fan實施為一個分壓器(或電壓除法器)，而 fdig實施為ー個數(shù)字乗法。輸出電壓可以計算如下設(shè)f=Vref/Vin (其中▽表示標(biāo)稱電壓)，而設(shè)定點(diǎn)ν= 。/ η對于零控制誤差(eN)),則
權(quán)利要求
1.一種用于控制開關(guān)式DC-DC變換器的控制器，該變換器具有至少一個開關(guān)電路用于將一輸入電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橐惠敵鲭妷海摽刂破靼ㄒ豢刂苹芈?，配置成力圖將輸出電壓保持在一預(yù)定電位；和一損耗估算器，用控制回路中的內(nèi)部參數(shù)來提供開關(guān)電路中的功耗估算值。
2.如前述權(quán)利要求1所述的控制器，其中，控制回路包括一個反饋回路，配置成力圖將輸出電壓保持在一預(yù)定電位；和一個自動歸零回路，通過調(diào)整一反饋增益來減小反饋回路中的誤差，其中該反饋增益是損耗估算器所用的參數(shù)。
3.如前述權(quán)利要求2所述的控制器，其中，損耗估算器使用等式
4.如前述權(quán)利要求1所述的控制器，其中，控制回路包括一個積分控制器，其中積分控制器的輸出是損耗估算器所用的參數(shù)。
5.如前述權(quán)利要求4所述的控制器，其中，損耗估算器使用等式 (V. Vλ
6.如前述權(quán)利要求1、2或4所述的控制器，其中，損耗估算值是功耗。
7.如前述權(quán)利要求1、2或4所述的控制器，其中，損耗估算值是電流損耗。
8.如前述權(quán)利要求1、2或4所述的控制器，其中，損耗估算值是電壓損耗。
9.如前述權(quán)利要求1、2或4所述的控制器，其中，損耗估算值是一個功率轉(zhuǎn)換系數(shù)，其中控制器可從該功率轉(zhuǎn)換系數(shù)計算輸入功率。
10.如前述權(quán)利要求任一項所述的控制器，其中，DC-DC變換器有至少兩種工作模式， 損耗估算值用于為目前工作條件選擇最優(yōu)工作模式。
11.如前述權(quán)利要求任一項所述的控制器，其中，損耗估算值用于調(diào)適DC-DC變換器的至少一個工作特性。
12.如前述權(quán)利要求11所述的控制器，其中，所述至少一個工作特性包括開關(guān)頻率。
13.如前述權(quán)利要求11所述的控制器，其中，所述至少一個工作特性包括在開關(guān)電路中互補(bǔ)開關(guān)的重疊度。
14.如前述權(quán)利要求任一項所述的控制器，其中，還包括一個通信電路，用于將損耗估算值作為一個信號提供給開關(guān)電路之外的電路。
15.一種DC-DC變換器，包括一種前述權(quán)利要求任一項所述的控制器。
16.一種電源控制電路，包括至少一個如權(quán)利要求14所述的控制器，還包括一個母線電壓控制器，用于控制向DC-DC變換器提供輸入電壓的供電母線之上的電壓，母線電壓控制器響應(yīng)由控制器提供的損耗估算值信號。
17.—種供電電源所用的控制器，該供電電源向多個DC-DC變換器提供一 DC母線電壓， 其中，該控制器配置成控制至少一個用于從輸入電壓供給DC母線電壓的開關(guān)電路，其中控制器配置成從所述多個DC-DC變換器接收效率和/或損耗量值，并且響應(yīng)接收到的功耗值調(diào)整DC母線電壓而使功耗最小化。
18.一種供電電源，包括(a) —個如權(quán)利要求17所述的控制器；和(b)至少一個開關(guān)電路，用于從輸入電壓提供一個受控制器控制的DC母線電壓。
19.一種開關(guān)式DC-DC變換器，包括至少一個開關(guān)電路，用于將一個輸入電壓變換為一個輸出電壓；和一個控制器，具有一個用于控制開關(guān)電路工作的控制回路；其中，控制器具有一個自動歸零回路，用于調(diào)整反饋增益以減小控制回路中的誤差；和一個損耗估算器，可從反饋增益值估算所述至少一個開關(guān)電路中的損耗。
20.一種開關(guān)式DC-DC變換器，包括至少一個用于將輸入電壓變換為一輸出電壓的開關(guān)電路，具有至少兩個開關(guān)相，其中所述至少一個開關(guān)電路配置成在第一模式或第二模式下工作，這些模式是通過開關(guān)相采用的組合方式來區(qū)分的；一個控制器，具有一個用于控制所述至少一個開關(guān)電路的控制回路；和一個自動歸零回路，通過調(diào)整控制回路中的反饋增益值使控制回路中的回路誤差達(dá)到最小化；一個估算器，用于估算開關(guān)電路工作在第一模式下的第一損耗值和開關(guān)電路工作在第二模式下的第二損耗值；和一個模式選擇器，用于在第一和第二模式間在一轉(zhuǎn)換點(diǎn)切換所述控制器，其中，模式選擇器響應(yīng)第一和第二損耗值來確定切換點(diǎn)。
21.一種開關(guān)式電源所用的數(shù)控器，數(shù)控器向一開關(guān)電路提供至少一個開關(guān)信號且具有與一個或多個工作參數(shù)內(nèi)部相應(yīng)的一個或多個信號，該一個或多個信號可以第一速率從數(shù)控器獲得，其特征在于，數(shù)控器包括一個第一濾波器，用于對所述至少一個參數(shù)濾波以提供至少一個濾波后的參數(shù)信號；一個第一下采樣器，用于對至少一個濾波后的參數(shù)信號從第一速率到第二速率予以下采樣，以產(chǎn)生至少一個下采樣參數(shù)信號；和一個通信線路，用于將至少一個下采樣參數(shù)信號傳輸?shù)綌?shù)控器之外的電路。
22.如前述權(quán)利要求21所述的控制器，其中，還包括一個第二濾波器，用于對所述至少一個下采樣參數(shù)信號低通濾波而產(chǎn)生所述至少一個參數(shù)的平均量值；和一個通信電路， 用于將下采樣的至少一個參數(shù)傳輸給數(shù)控器之外的電路。
23.如前述權(quán)利要求22所述的控制器，其中，通信電路是一個可由外部電路查詢的寄存器。
24.如前述權(quán)利要求21所述的控制器，其中，還包括一個第二下采樣器，用于下采樣所述至少一個參數(shù)的平均量值再將其提供給外部電路。
25.—種DC-DC母線電壓控制器，可操作至少一個開關(guān)電路而將一個公共DC母線電壓提供給多個DC-DC變換器，后者再分頭向一個或多個電路供電，其中母線電壓控制器配置成從各個DC-DC變換器分別接收一個功耗量值，并可響應(yīng)接收到的功耗量值來調(diào)整母線電壓。
26.如前述權(quán)利要求25所述的控制器，其中，母線電壓控制器為使總功耗最小化而調(diào)整母線電壓。
27.一種用于估算電源中損耗的方法，如附圖所示和/或參照附圖所述。
28. 一種開關(guān)式DC-DC變換器，具有一個如附圖所示和/或參照附圖所述的損耗估算 器。
全文摘要
本申請?zhí)峁┮环N不需測量輸入電流就能計算DC-DC變換器損耗的方法，利用該算法來確定兩相DC-DC電源中單相模式和雙相模式之間的最優(yōu)切換點(diǎn)。
文檔編號H02M3/156GK102598493SQ201080031614
公開日2012年7月18日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者安東尼·凱利 申請人:動力威勝有限公司