本發(fā)明涉及用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的設備和方法、以及一種脈沖寬度調制設備和一種電壓轉換器。

背景技術：

脈沖寬度調制（PWM，英語：pulse width modulation）是非常流行的技術。脈沖寬度調制應用在許多應用領域中，例如在功率電子設備的控制領域中或者用于電流轉換或者電壓轉換。此外，還存在眾多其他的應用領域。

PWM-信號通常是具有恒定的周期持續(xù)時間的矩形信號。在所述周期持續(xù)時間期間，該信號可以在第一時間段內具有第一狀態(tài)并且在周期持續(xù)時間的剩余時間段中具有第二狀態(tài)。在其中信號具有第一狀態(tài)或者第二狀態(tài)的時間段的比例在此稱作占空比（英語：duty cycle）。

為了數(shù)字地產生PWM-信號，對此例如可以使用計數(shù)器，所述計數(shù)器以預給定的時鐘頻率周期性地從零直至預先確定的最大值地計數(shù)。如果達到了最大值，則計數(shù)器被復位并且在零處重新開始。因此，時鐘頻率結合計數(shù)器的最大值確定待生成的PWM-信號的周期持續(xù)時間?？梢酝ㄟ^這種方式調節(jié)的占空比的分辨率在此通過計數(shù)器的時鐘頻率來確定。

歐洲專利申請EP 1 653 618 A2公開了一種具有占空比的提高了的分辨率的PWM-發(fā)生器。對此提出一種附加的發(fā)生器，所述發(fā)生器以以下周期持續(xù)時間進行脈沖，所述周期持續(xù)時間相應于最大的PWM-周期持續(xù)時間的一小部分。

因此存在對具有精確可調節(jié)的占空比的信號的簡單且高效的產生的需求。

技術實現(xiàn)要素：

對此，本發(fā)明根據(jù)第一方面實現(xiàn)了一種用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的設備。所述設備包括：計數(shù)器，所述計數(shù)器被設計用于以預先確定的時鐘頻率從預給定的起始值計數(shù)直至最大計數(shù)值；輸出設備，所述輸出設備被設計用于當所述計數(shù)器的值小于或者等于轉換值時輸出第一信號值，當所述計數(shù)器的值大于所述轉換值時輸出第二信號值。所述設備還包括控制設備，所述控制設備被設計用于基于所述最大計數(shù)值的預先確定的基礎值、為待調節(jié)的占空比的額定值確定暫時轉換值，計算暫時占空比，所述暫時占空比由暫時轉換值和所述最大計數(shù)值的基礎值得出，確定所計算的暫時占空比與待調節(jié)的占空比的額定值的偏差，并在使用所確定的偏差的情況下提高或者降低所述最大計數(shù)值的預先確定的基礎值，以便獲得所述最大計數(shù)值。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)了一種用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的方法。所述方法包括以下步驟：接收待調節(jié)的占空比的額定值；基于最大計數(shù)值的預先確定的基礎值為所接收的所述待調節(jié)的占空比的額定值確定暫時轉換值；計算暫時占空比，所述暫時占空比由暫時轉換值和所述最大計數(shù)值的預先確定的基礎值得出；確定所計算的暫時占空比與所接收的所述待調節(jié)的占空比的額定值的偏差；通過在使用所確定的偏差的情況下提高或者降低所述最大計數(shù)值的預先確定的基礎值來確定最大計數(shù)值；以預給定的起始值啟動計數(shù)器并且以預先確定的時鐘頻率使所述計數(shù)器向上計數(shù)；當所述計數(shù)器的值小于或者等于所述轉換值時輸出第一信號值；并且當所述計數(shù)器的值大于所述轉換值時輸出第二信號值。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)一種脈沖寬度調制設備，所述脈沖寬度調制設備具有根據(jù)本發(fā)明的用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的設備。

又根據(jù)另一方面，本發(fā)明實現(xiàn)了一種電壓轉換器，所述電壓轉換器具有根據(jù)本發(fā)明的脈沖寬度調制設備。

本發(fā)明的優(yōu)點

本發(fā)明所基于的認識是，在借助計數(shù)器產生PWM-信號時，PWM-信號的占空比的分辨率受計數(shù)器的時鐘頻率和最大計數(shù)值限制。因此，本發(fā)明基于以下思想：通過在產生PWM-信號時匹配最大計數(shù)值來改變待調節(jié)的占空比的周期持續(xù)時間。計數(shù)器的時鐘頻率在此可以保持恒定。

通過改變所述最大值——計數(shù)器分別計數(shù)直至該最大值，在恒定的時鐘頻率的情況下，所輸出的信號的周期持續(xù)時間因此也改變。根據(jù)計數(shù)器的所述最大計數(shù)值，因此對于每個計數(shù)值得出不同的可調節(jié)的占空比。通過選擇合適的最大計數(shù)值，可以由該方式為所希望的占空比確定轉換值，在所述轉換值時PWM-信號從一種信號狀態(tài)變化到另一種信號狀態(tài)，該另一種信號狀態(tài)很好地與實際上希望的占空比一致。因此，即使在相對緩慢地進行脈沖的計數(shù)器的情況下也能夠非常精確地調節(jié)PWM-信號，而對此不需要其他耗費的電路措施來匹配占空比。

根據(jù)一種實施方式，所述控制設備在使用所述暫時轉換值和所計算的暫時占空比與待調節(jié)的占空比的額定值的所確定的偏差的情況下匹配所述轉換值。

根據(jù)另一種實施方式，所述控制設備包括存儲器。所述存儲器被設計用于提供用于提高或者降低所述最大計數(shù)值的基礎值的和/或用于匹配所述轉換值的參數(shù)。例如，在存儲器中提供的參數(shù)可以以表格（Lookup-Table：查找表，LUT）的形式提供。所提供的參數(shù)例如可以是用于最大計數(shù)值或者轉換值的數(shù)值，所述數(shù)值可以分別用于待調節(jié)的占空比。替代地，所提供的參數(shù)也可以是校正值，所述校正值可以用于根據(jù)待調節(jié)的占空比來匹配用于最大計數(shù)值和/或轉換值的預給定的基礎設定。通過使用事先已經在存儲器中保存的參數(shù)，可以特別快速地并且無耗費的計算步驟地實現(xiàn)參數(shù)與待調節(jié)的占空比的匹配。

根據(jù)另一種實施方式，所述控制設備包括計算設備，所述計算設備被設計用于計算用于提高或者降低所述最大計數(shù)值的基礎值的和/或用于匹配所述轉換值的值。如果對于最大計數(shù)值的或者轉換值的計算有充足的資源可供使用，則可以通過合適的計算方法確定這些值的匹配。這能夠實現(xiàn)待調節(jié)的值的特別靈活的匹配。

根據(jù)一種實施方式，所述用于產生信號的方法還包括當所述計數(shù)器的值已經超出所述最大值時將所述計數(shù)器復位到所述預給定的起始值上。通過這種方式可以輸出周期性的PWM-信號。

根據(jù)另一種實施方式，用于確定所述最大計數(shù)值的步驟在預先確定的值范圍內確定所述計數(shù)值。

又根據(jù)另一種實施方式，用于確定所述最大計數(shù)值的步驟在使用預先確定的公式的情況下確定用于提高或者降低所述基礎值的值。

本發(fā)明的其他實施方式和優(yōu)點由以下參考附圖的描述得出。

附圖說明

在此：

圖1示出根據(jù)一種實施方式的用于產生信號的設備的示意圖；

圖2在時間上示出計數(shù)值的變化曲線的示意圖和所輸出的信號，如一種實施方式所基于的那樣；

圖3示出根據(jù)一種實施方式的電壓轉換器的示意圖；和

圖4示出如根據(jù)一種實施方式的用于產生信號的方法所基于的流程圖的示意圖。

具體實施方式

圖1示出用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的設備1的示意圖。設備1包括控制設備11、計數(shù)器12和輸出設備13。在此待調節(jié)的占空比的額定值10可以提供給控制設備11。額定值10在此不僅可以作為模擬信號而且可以作為數(shù)字信號提供給控制設備11。例如，控制設備11可以與通信總線耦合，通過該通信總線將額定值10作為數(shù)字的預給定傳輸?shù)娇刂圃O備11上。

基于預給定的用于控制設備11所接收到的占空比的額定值10，控制設備11然后確定合適的最大計數(shù)值n_max以及轉換值u。最大計數(shù)值n_max在此尤其可以如下確定，使得在整數(shù)地向上計數(shù)直至最大計數(shù)值n_max的情況下產生步寬，該步寬在達到轉換值u的情況下產生一種占空比，該占空比盡可能準確地與待調節(jié)的占空比一致。還進一步在下面詳細闡述在使用所接收的占空比信號的情況下確定最大計數(shù)值n_max和轉換值u。

計數(shù)器12被設計用于周期性地以整數(shù)從預給定的起始值直至由控制設備11確定的最大計數(shù)值n_max地計數(shù)。通常，預給定的起始值在此將是零。計數(shù)器12在此包括時鐘發(fā)生器14。該時鐘發(fā)生器14為計數(shù)器12提供周期性信號?；谟嫈?shù)器14的該周期性信號，計數(shù)器12連續(xù)地以整數(shù)提高其計數(shù)值，直至該計數(shù)值達到由控制設備11預給定的最大計數(shù)值n_max。

接著，計數(shù)器12被復位到起始值上并且重新開始向上計數(shù)。替代地，原則上也可以的是，從最大計數(shù)值n_max向下計數(shù)直至起始值并且接著將計數(shù)器12復位到最大計數(shù)值n_max上。優(yōu)選地，時鐘發(fā)生器14的信號的頻率是恒定的，也即時鐘發(fā)生器14的信號的頻率尤其與待調節(jié)的占空比無關。

由控制設備11確定的轉換值以及計數(shù)器12的當前值被提供給輸出設備13。該輸出設備13包括比較設備（17），所述比較設備將計數(shù)器的當前值n與由控制設備11確定的轉換值u進行比較。只要計數(shù)器12的值n小于或者等于轉換值u，則輸出設備11輸出第一信號值。例如，所述第一信號值可以是邏輯“1”（邏輯高）。與此相反，如果計數(shù)器12的值n超出由控制設備11預給定的轉換值u，則輸出設備13輸出第二信號值，例如邏輯“0”（邏輯低）。替代地，只要計數(shù)器12的值n小于預給定的轉換值u，顯然也可以輸出邏輯高，并且如果計數(shù)器12的值n超過轉換值u，則輸出邏輯低。

圖2示出計數(shù)器12的計數(shù)值n的變化曲線的示意圖和通過輸出設備13所輸出的信號。在上部圖示中，在時間t上示出計數(shù)器12的值n。計數(shù)器12的值在此從起始值（在此0）提高直至最大計數(shù)值n_max。如果達到了最大計數(shù)值n_max，則計數(shù)器12復位到起始值上并且重新開始向上計數(shù)。

在此之下示出通過輸出設備13輸出的信號值。在起始值和轉換值u之間通過輸出設備13輸出第一信號值，在此“1”。而在轉換值u和最大計數(shù)值n_max之間輸出替代的信號值，在此“0”。

如果對于最大計數(shù)值n_max總是使用相同的預先確定的基礎值，則在恒定的、同樣固定地預先確定的用于計數(shù)器12的時鐘頻率的情況下產生分辨率的固定的步寬，借助所述分辨率可以調節(jié)占空比。該固定的步寬視所希望的占空比而定地導致實際上產生的占空比與所希望的占空比之間的偏差。

如果計數(shù)器12例如以10步計數(shù)，則可以以0.1-步的分辨率調節(jié)占空比。然而，如果所希望的占空比例如是0.55，則在可實現(xiàn)的為0.5的實際占空比和所希望的為0.55的占空比之間產生步寬的50%的偏差。

通過改變步數(shù)，也即通過匹配最大計數(shù)值n_max，可以最小化該偏差。如果例如最大計數(shù)值的基礎值提高1，則計數(shù)器12然后以11步計數(shù)。此外，如果轉換值u還同樣提高1，則作為實際的占空比得出6:11=0.545%。所述新的占空比顯然更接近所希望的占空比。

如該示例所示，可以通過改變、尤其提高或者降低最大計數(shù)值n_max來使實際上可實現(xiàn)的占空比相比于在計數(shù)器12中始終使用相同的、固定地預先確定的最大計數(shù)值的情況更好地匹配于所希望的占空比。在此，基于計數(shù)器12的保持不變的時鐘頻率，最大計數(shù)值n_max的改變也伴隨著所輸出的脈沖寬度調制信號的周期持續(xù)時間的改變。

相應地，通過圖1中的設備1生成的PWM-信號的精度可以通過改變周期持續(xù)時間來提高。在控制設備11接收到待調節(jié)的占空比的額定值10之后，控制設備11然后首先確定暫時的轉換值。該暫時的轉換值相應于當計數(shù)器以最大計數(shù)值的預先確定的基礎值運行時將得出的轉換值。最大計數(shù)值的這樣的預先確定的基礎值例如可以固定地存儲在控制設備11中。然后，控制設備11可以計算暫時的占空比，所述暫時的占空比在借助之前確定的暫時的轉換值和最大計數(shù)值的固定地預給定的基礎值來產生PWM-信號的情況下得出。由如此計算的暫時占空比接著可以確定該暫時占空比和待調節(jié)的占空比的所希望的額定值10之間的偏差。

基于所述確定的參數(shù)、尤其暫時的轉換值，基于暫時占空比與額定值10之間的偏差以及最大計數(shù)值的基礎值，可以匹配最大計數(shù)值n_max并必要時也匹配轉換值u，以便提高待輸出的PWM-信號的精度。

為此，控制設備11例如可以包括存儲器16，在所述存儲器中存儲用于提高或者降低最大計數(shù)值的基礎值和/或暫時的轉換值的合適的校正值。例如可以將這些參數(shù)存儲在表格中，該表格對于每個可能的暫時的轉換值包括一個列并且對于多個可能的在暫時占空比與該占空比的額定值之間的偏差分別包括一個行。在表格的相應單元中，于是可以存儲用于匹配最大計數(shù)值和/或暫時的轉換值的參數(shù)。

替代地，也能夠實現(xiàn)用于提高或者降低最大計數(shù)值的基礎值和/或暫時的轉換值的校正值的單獨計算。接著，對此描述了用于匹配最大計數(shù)值或者轉換值的可能的計算基礎。

在此，以下公式符號適用：

D：0與1之間的暫時的占空比（相應于0%...100%）；

R：暫時的占空比與額定值之間的關于步寬的相對偏差（0...1之間的值范圍，相應于0%...100%）；

KP：最大計數(shù)值的校正值；

KD：轉換值的校正值；和

[x]：對值x取整。

首先判斷，待調節(jié)的占空比是大于還是小于0.5（50%）。對于占空比恰恰為0.5的情況，可以使用兩種方案。

如果占空比小于（或者等于）0.5，則可以使用以下計算規(guī)則：

轉換值u的校正值KD始終是0（KD=0），也即該轉換值u始終相應于暫時的轉換值。

得出最大計數(shù)值的校正值KP為：KP=-[R/D]。

因此，從最大計數(shù)值的基礎值上減去暫時的占空比與該占空比的額定值之間的偏差R與暫時的占空比D的經取整的商。

如果例如應在最大計數(shù)值為10的基礎值的情況下調節(jié)0.45（45%）的占空比，則得出以下計算：

借助基礎值10可以以0.1-步調節(jié)占空比。因此，得出暫時的轉換值為4和暫時的占空比為0.4。暫時占空比與占空比的額定值之間的相對偏差是0.1步的50%（0.5）。

因此，最大計數(shù)值的校正值為：

KP=-[0.5/0.4]=-[1.25]=-1。

因此，使基礎值10降低1，使得最大計數(shù)值n_max為9。因為轉換值4保持不變，所以在校正之后得出占空比為4:9=0.44（44%），該占空比明顯更接近額定值。

如果占空比大于（等于）0.5，則不僅匹配暫時的轉換值而且匹配最大計數(shù)值。在此，將相同的校正值添加至暫時的轉換值和最大計數(shù)值的基礎值：

KD=KP=[R/[(l-D)]

因此將暫時占空比和額定值之間的偏差R除以1減去暫時的周期持續(xù)時間D的經取整的商不僅添加至暫時的轉換值，而且添加至最大計數(shù)值的基礎值。

如果例如在最大計數(shù)值的基礎值為10的情況下應調節(jié)0.68（68%）的占空比，則首先對于暫時的轉換值得出值6。暫時占空比與所希望的額定值之間的偏差在此是0.8（80%）。因此校正值計算如下：

KD=KP=[0.8/(1-0.6)]=[0.8/0.4]=2。

因此，得出最大計數(shù)值n_max為10+2=12，并且得出轉換值u為6+2=8。由此得出實際的占空比為8:12≈0.67（67%）。

為了通過控制設備11確定最大計數(shù)值n_max，可以優(yōu)選在預先確定的值范圍內確定最大計數(shù)值n_max。由最大計數(shù)值n_max的所述預先確定的值范圍，相應于計數(shù)器12中的時鐘發(fā)生器14的時鐘頻率地，也得出通過輸出設備13輸出的信號的周期持續(xù)時間的相應范圍。小的最大計數(shù)值在此導致短的周期持續(xù)時間，而大的最大計數(shù)值導致較長的周期持續(xù)時間。通過將最大計數(shù)值n_max限制到預先確定的值范圍上，因此也可以將所輸出的信號的周期持續(xù)時間限制到預先確定的范圍上。

圖3示出用于將通過電壓源21提供的電壓U1轉換成另一電壓U2的電壓轉換器2的示意圖。例如，在電壓轉換器2上作為輸入電壓U1可以提供第一直流電壓，所述第一直流電壓借助DC/DC轉換器轉換成另一電壓高度的直流電壓U2。為了控制電壓轉換器2，在電壓轉換器2中提供PWM-信號，該PWM-信號由用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的設備1生成。例如，該信號可以由脈沖寬度調制設備借助用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的設備1來產生。在輸出連接端22上提供的電壓U2可以在此根據(jù)PWM-信號的所調節(jié)的占空比來匹配或者調節(jié)。

此外，用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的設備1也可以用于以下任意的其他應用，在所述其他應用中需要具有可調節(jié)的占空比的脈沖寬度調制信號。這樣的PWM-信號的應用在此在以下所有應用中是可能的，在所述應用中可以在可接受的公差內改變PWM-信號的周期持續(xù)時間。尤其可以將這樣產生的PWM-信號用于功率電子應用，諸如電驅動系統(tǒng)、電壓轉換器或者類似的。

圖4示出如一種用于產生具有可調節(jié)的占空比的信號的方法所基于的流程圖的示意圖。在步驟S1中首先接收待調節(jié)的占空比的額定值10。接著在步驟S2中，基于最大計數(shù)值的預先確定的基礎值為所接收的用于所述待調節(jié)的占空比的額定值10確定暫時轉換值。在步驟S3中，計算暫時占空比，所述暫時占空比由暫時轉換值和所述最大計數(shù)值的預先確定的基礎值得出。

接著，在步驟S4中，可以確定所計算的暫時占空比與所接收的用于待調節(jié)的占空比的額定值的偏差。在使用所確定的偏差的情況下然后可以在步驟S5中確定最大計數(shù)值n_max。該最大計數(shù)值n_max通過提高或降低最大計數(shù)值的預先確定的基礎值來得出。如果必要，也還可以匹配暫時的轉換值。如果不需要暫時的轉換值的匹配，則將該暫時的轉換值接受為（最終的）轉換值u。

為了產生輸出信號，接著在步驟S6中計數(shù)器12以預給定的起始值初始化并且計數(shù)器12的向上計數(shù)以預先確定的時鐘頻率開始。只要計數(shù)器12的值n小于或者等于轉換值u，就在步驟S7中輸出第一信號值。如果計數(shù)器12的值n超出轉換值u，則在步驟S8中輸出第二信號值。

如果計數(shù)器12的值達到最大計數(shù)值n_max，則在步驟S9中將計數(shù)器12復位到預給定的起始值上。接著，計數(shù)器12在該起始值處開始重新向上計數(shù)。替代地，計數(shù)器也可以從最大計數(shù)值n_max往回計數(shù)直至起始值。在這種情況下，在達到起始值時，計數(shù)器被復位到最大計數(shù)值上。在又一種替代的實施方式中，計數(shù)器也可以交替地從起始值向上計數(shù)直至最大計數(shù)值n_max并且在達到最大計數(shù)值n_max時往回計數(shù)直至起始值。在達到起始值時，計數(shù)器然后接著又開始向上計數(shù)。

為了限制如此產生的信號的最小的或最大的周期持續(xù)時間，可以將最大計數(shù)值n_max限制到在預先確定的值范圍內的值上。

用于提高或者降低最大計數(shù)值的基礎值和必要時暫時的轉換值的值，尤其可以基于事先已經確定的值來實現(xiàn)。替代地，也可以如先前描述的那樣分別重新計算所述值。

總而言之，本發(fā)明涉及脈沖寬度調制信號的占空比的調節(jié)。為此可以改變脈沖寬度調制信號的周期持續(xù)時間。因此，在使用具有固定地預給定的時鐘頻率的簡單的計數(shù)器的情況下可以無大的電路耗費地使脈沖寬度調制信號的占空比非常準確地匹配于所希望的占空比。