專(zhuān)利名稱(chēng)：用于電流模式控制的數(shù)字斜率補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于開(kāi)關(guān)式電源的數(shù)字斜率補(bǔ)償裝置，其中，將傳感器用于感測(cè)開(kāi) 關(guān)式電源的模擬電感電流(inductor current)，將比較器用于根據(jù)模擬電流閾值電平和模擬 電感電流的比較來(lái)生成觸發(fā)信號(hào)，并將脈寬調(diào)制器用于控制開(kāi)關(guān)式電源的操作，其中， 所述脈寬調(diào)制器被布置為被所述比較器的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)。本發(fā)明還涉及用于開(kāi)關(guān)式電源 的數(shù)字斜率補(bǔ)償方法，其中，感測(cè)開(kāi)關(guān)式電源的模擬電感電流，生成根據(jù)模擬電流閾值 電平和模擬電感電流的比較的觸發(fā)信號(hào)，并由該觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)脈寬調(diào)制信號(hào)以控制開(kāi)關(guān) 式電源的操作。
背景技術(shù)：
電流模式控制是用于開(kāi)關(guān)式電源6MPS)的常用控制方法。與電壓模式控制相 比，其表現(xiàn)出導(dǎo)致改善的控制環(huán)路動(dòng)態(tài)的高頻帶寬并得到更好的線噪聲抑制。隨著小信 號(hào)動(dòng)態(tài)從二階減小至一階，其另外簡(jiǎn)化了外電壓環(huán)路設(shè)計(jì)。
可以將電流模式控制分類(lèi)為平均電流模式和峰值電流模式。如名稱(chēng)所暗示的 那樣，平均電流模式控制調(diào)整平均電感電流。特別地，在升壓(Boost)型功率因數(shù)修正 (PFC)整流器中，平均電流控制保證非常低的電流失真。峰值電流模式是廣泛使用的電 流模式控制技術(shù)，其中，占空比(duty cycle)在電感電流達(dá)到由外電壓控制器定義的閾值 電平時(shí)終止。這種技術(shù)的特征在于某些固有優(yōu)點(diǎn)，諸如簡(jiǎn)單的逐循環(huán)(cycle)電流限制 和并聯(lián)轉(zhuǎn)換器的良好電流共享。平均與峰值電流控制的組合是過(guò)渡或邊界模式控制，其 中，在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)的邊界處驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器。邊界模式 的特性是變化的開(kāi)關(guān)頻率且峰值電流是平均電流的兩倍大。但是需要進(jìn)行額外的努力以 檢測(cè)零電流。
US 7,479,778(國(guó)家半導(dǎo)體公司)公開(kāi)了一種用于基于與電感器相關(guān)的斜率來(lái)自 適應(yīng)地調(diào)整開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中的參數(shù)的系統(tǒng)?？刂骗h(huán)路對(duì)由具有電容器和電流源的斜坡發(fā) 生器生成的斜坡信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，其中，對(duì)所述電流源和電容器中的至少一個(gè)進(jìn)行調(diào)整以 修改斜坡信號(hào)的斜率。通過(guò)動(dòng)態(tài)地調(diào)整斜坡信號(hào)的斜率，為在工作期間可以動(dòng)態(tài)地改變 的一定范圍的電感值提供斜率補(bǔ)償?？梢杂砂ňw管的模擬電路或由控制電流源的 DAC (DAC 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)來(lái)執(zhí)行調(diào)整。
US 7,236,376 (System General Corp.)公開(kāi)了在電源的主側(cè)控制輸出電流。主側(cè)開(kāi)關(guān)電流的感測(cè)信號(hào)被饋送到控制器的波形檢測(cè)器。波形檢測(cè)器生成電流波形信號(hào)。響 應(yīng)于該電流波形信號(hào)而生成平均電流信號(hào)。積分器生成積分信號(hào)，其與開(kāi)關(guān)信號(hào)的開(kāi)關(guān) 周期相關(guān)并與輸出電流成比例。開(kāi)關(guān)信號(hào)的脈沖寬度受到控制且可以調(diào)節(jié)電源的輸出電 流。
US 7,433,599(富士通有限公司)公開(kāi)了一種對(duì)光學(xué)通信系統(tǒng)中的傳輸質(zhì)量退化 進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)色散補(bǔ)償裝置。提供了傳輸質(zhì)量測(cè)量單元和色散補(bǔ)償量控制單元。程序 使得計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行接收測(cè)量結(jié)果的步驟、檢測(cè)并分離傳輸質(zhì)量退化的步驟、以及控制補(bǔ)償?shù)牟襟E。
然而，在CCM中存在峰值電流模式控制的多個(gè)缺點(diǎn)控制使穩(wěn)定性放松，如果 占空比超過(guò)50%，則導(dǎo)致次諧波振蕩，由峰值而不是平均電流感測(cè)和噪聲敏感度引起的 非理想控制響應(yīng)，特別是在小的電感電流波紋下?；謴?fù)穩(wěn)定性的常見(jiàn)方法是以50%以上 的占空比在峰值電流控制轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用所謂的斜率補(bǔ)償。隨著計(jì)算能力的提高和成本的 降低，DSP和基于微控制器的數(shù)字控制在SMPS應(yīng)用中變得越來(lái)越重要。這種措施提供 了許多益處，諸如靈活性和可編程性、導(dǎo)致改善的可靠性的有源和無(wú)源組件的數(shù)目的減 少、可忽略或可補(bǔ)償?shù)钠坪蜔崞?。另外，?shù)字控制提供實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、自適應(yīng)且非線性 的控制方法以改善靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的潛力。
完全數(shù)控轉(zhuǎn)換器主要計(jì)算占空比并使用集成數(shù)字脈寬調(diào)制(DPWM)發(fā)生器來(lái)控 制開(kāi)關(guān)。并且，包括現(xiàn)有技術(shù)斜率補(bǔ)償?shù)娜珨?shù)字峰值電流控制是基于對(duì)期望的占空比進(jìn) 行預(yù)先計(jì)算，其需要電感值L的準(zhǔn)確知識(shí)。使用這些技術(shù)，不能使用上述峰值電流控制 的固有優(yōu)點(diǎn)。然而，用包括片上比較器和比較器的內(nèi)部輸入端處的專(zhuān)用集成DAC的可用 微控制器，基本上可用簡(jiǎn)單的組件實(shí)現(xiàn)純數(shù)字峰值電流控制。然而，數(shù)字控制中的斜率 補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)仍存在挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诿總€(gè)開(kāi)關(guān)循環(huán)期間需要連續(xù)增大的斜坡函數(shù)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是產(chǎn)生屬于最初提及的技術(shù)領(lǐng)域的裝置和方法，其提供數(shù)目減少 的有源和無(wú)源組件以及改善的可靠性。
由本發(fā)明的特征來(lái)指定本發(fā)明的解決方案。根據(jù)本發(fā)明，布置第一模數(shù)轉(zhuǎn)換 器，其用于將開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出電壓。布置用于將數(shù)字輸出電 壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電流閾值電平的裝置，并且布置用于根據(jù)數(shù)字電流閾值電平生成模擬電流 閾值電平的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
根據(jù)本發(fā)明，提出一種用于峰值電流控制的數(shù)字斜率補(bǔ)償技術(shù)，其不使用斜坡 并因此減少了組件的數(shù)目，但是對(duì)期望的比較器關(guān)斷閾值進(jìn)行預(yù)先計(jì)算。
在優(yōu)選實(shí)施例中，布置電壓控制器以接收數(shù)字輸出電壓并生成數(shù)字電流基準(zhǔn)。 布置第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器以將開(kāi)關(guān)式電源的模擬電感電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字電感電流，并布置數(shù)字 斜率補(bǔ)償模塊以接收數(shù)字電流基準(zhǔn)、數(shù)字電感電流、和補(bǔ)償因數(shù)以生成數(shù)字電流閾值電 平。
根據(jù)谷值電感電流對(duì)期望的比較器關(guān)斷閾值進(jìn)行預(yù)先計(jì)算。
優(yōu)選地，將補(bǔ)償因數(shù)布置成恒定值。因此，僅計(jì)算補(bǔ)償因數(shù)一次且其在電源開(kāi) 關(guān)單元的整個(gè)壽命期間理想地是固定的。但是如果需要，可以簡(jiǎn)單地經(jīng)由軟件更新來(lái)重 新調(diào)整補(bǔ)償因數(shù)-即使該單元在現(xiàn)場(chǎng)。用數(shù)目減少的組件實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有技術(shù)模擬斜率補(bǔ)償 的功能，并且同時(shí)獲得經(jīng)由軟件更新進(jìn)行重新調(diào)整的附加靈活性。
在替換實(shí)施例中，布置自適應(yīng)斜率補(bǔ)償因數(shù)模塊以生成補(bǔ)償因數(shù)。在電源開(kāi)關(guān) 單元的工作期間連續(xù)地計(jì)算補(bǔ)償因數(shù)，這得到改善的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及組件的數(shù)目減少。
優(yōu)選地，布置第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器以將開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸入 電壓。所述自適應(yīng)斜率補(bǔ)償因數(shù)模塊被布置為接收數(shù)字輸出電壓和數(shù)字輸入電壓以生成 補(bǔ)償因數(shù)。
根據(jù)測(cè)量的輸入電壓和輸出電壓，在電源開(kāi)關(guān)元件的工作期間連續(xù)地重新計(jì)算 補(bǔ)償因數(shù)。不需要電感值的知識(shí)。自適應(yīng)算法保持斜率補(bǔ)償量可調(diào)整以在不發(fā)生次諧波 振蕩的情況下實(shí)現(xiàn)最小響應(yīng)時(shí)間。
在優(yōu)選實(shí)施例中，所述裝置被集成到微控制器的一部分中。因此，單個(gè)微控制 器促進(jìn)包括斜率補(bǔ)償?shù)恼w控制。到目前為止，在微控制器內(nèi)可以進(jìn)行數(shù)字電壓控制， 但是對(duì)于斜率補(bǔ)償而言，必須保持模擬并使用具有附加組件的模擬電路。
在用于開(kāi)關(guān)式電源的數(shù)字斜率補(bǔ)償方法中，將開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸出電壓轉(zhuǎn)換 成數(shù)字輸出電壓，將數(shù)字輸出電壓變換成數(shù)字電流閾值電平，并且根據(jù)數(shù)字電流閾值電 平生成模擬電流閾值電平。
優(yōu)選地，根據(jù)數(shù)字輸出電壓生成數(shù)字電流基準(zhǔn)電平，將開(kāi)關(guān)式電源的模擬電感 電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字電感電流，并且根據(jù)數(shù)字電流基準(zhǔn)、數(shù)字電感電流、和補(bǔ)償因數(shù)來(lái)生成 數(shù)字電流閾值電平。
優(yōu)選地，使用具有恒定值的補(bǔ)償因數(shù)。
或者，自適應(yīng)斜率補(bǔ)償因數(shù)模塊生成補(bǔ)償因數(shù)。
優(yōu)選地，將開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸入電壓，并根據(jù)數(shù)字輸出 電壓和數(shù)字輸入電壓生成補(bǔ)償因數(shù)。
優(yōu)選地，使用微控制器來(lái)執(zhí)行該方法。
通過(guò)以下詳細(xì)說(shuō)明和總體的權(quán)利要求，看清楚其它有利實(shí)施例和特征組合。


用來(lái)解釋實(shí)施例的附圖示出
圖1具有斜率補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏骺刂粕龎恨D(zhuǎn)換器；
圖2用于m2 > In1的峰值電流控制下的電感電流中的增長(zhǎng)的干擾；
圖3具有斜率補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏骺刂葡碌碾姼须娏鳎?br> 圖4說(shuō)明數(shù)字斜率補(bǔ)償?shù)脑淼碾姼须娏魈匦裕?br> 圖5在微控制器上實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制結(jié)構(gòu)的方案；
圖6、圖7、圖8具有斜率補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏骺刂频姆抡娼Y(jié)果； 圖9示出在每個(gè)新的循環(huán)開(kāi)始時(shí)在MOSFET路徑中出現(xiàn)電流尖峰；圖10示出反向恢復(fù)電流引起高電流尖峰可能超過(guò)比較器關(guān)斷閾值并迫使出現(xiàn)比較器 的錯(cuò)誤觸發(fā)，這導(dǎo)致錯(cuò)誤的次諧波振蕩；圖11示出如果電流在新閾值值被更新之前達(dá)到在前一循環(huán)中計(jì)算的舊閾值值，則發(fā) 生過(guò)早關(guān)斷，這也可能導(dǎo)致不期望的次諧波振蕩； 圖12示出考慮了各個(gè)實(shí)際方面的時(shí)序圖；圖13示出控制環(huán)路在沒(méi)有次諧波振蕩的情況下工作至高占空比值；以及 圖14、15示出略微在最小所需值之上的已實(shí)現(xiàn)斜率因數(shù)的電流基準(zhǔn)階躍的瞬時(shí)響應(yīng)。
在圖中，對(duì)相同的組件給定相同的參考標(biāo)號(hào)。
具體實(shí)施方式
電流模式控制在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。在圖1中示出具有帶有模擬斜率補(bǔ)償?shù)耐怆妷涵h(huán)路和內(nèi)峰值電流控制環(huán)路的升壓轉(zhuǎn)換器的控制塊。峰值電流模式控制的基 本原理和斜率補(bǔ)償?shù)男枰缦隆?br> 為了導(dǎo)出表征到次諧波振蕩的過(guò)渡的峰值電流模式控制CCM轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性標(biāo) 準(zhǔn)，應(yīng)在第一步驟中分析沒(méi)有斜率補(bǔ)償?shù)牟僮?。因此，我們參照?qǐng)D2，其中，對(duì)比單個(gè)開(kāi) 關(guān)周期Ts對(duì)無(wú)干擾(實(shí)線)和有干擾(虛線)電感電流進(jìn)行繪圖。兩個(gè)電感電流形狀具 有相同的上升斜率ml、下降斜率m2和峰值值/。
對(duì)于無(wú)干擾情況(圖2中的實(shí)線)而言，可以直接導(dǎo)出
權(quán)利要求
1.一種用于開(kāi)關(guān)式電源的數(shù)字斜率補(bǔ)償裝置，包括a)傳感器，其用于感測(cè)開(kāi)關(guān)式電源的模擬電感電流(ij，b)比較器(2)，其用于根據(jù)模擬電流閾值電平與模擬電感電流GJ的比較來(lái)生成觸發(fā) 信號(hào)，以及C)脈寬調(diào)制器(PWM)，其用于控制開(kāi)關(guān)式電源的操作，其中，脈寬調(diào)制器(PWM) 被布置為由所述比較器的觸發(fā)信號(hào)來(lái)觸發(fā)。 其特征在于d)布置第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器以用于將開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸出電壓(V。ut)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出電壓，e)布置至少一個(gè)變換模塊以用于將數(shù)字輸出電壓變換成數(shù)字電流閾值電平(i。mp)，以及f)布置數(shù)模轉(zhuǎn)換器以用于根據(jù)數(shù)字電流閾值電平(i。mp)來(lái)生成模擬電流閾值電平。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于a)布置電壓控制器以接收數(shù)字輸出電壓并生成數(shù)字電流基準(zhǔn)(0，b)布置第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器以將開(kāi)關(guān)式電源的模擬電感電流GJ轉(zhuǎn)換成數(shù)字電感電流，以及c)布置數(shù)字斜率補(bǔ)償模塊以接收數(shù)字電流基準(zhǔn)(O、數(shù)字電感電流、和補(bǔ)償因數(shù) (ksc)以生成數(shù)字電流閾值電平(i。mp)。
3.如權(quán)利要求1或2中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于補(bǔ)償因數(shù)(kse)被布置為恒定值。
4.如權(quán)利要求1或2中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于布置自適應(yīng)斜率補(bǔ)償因數(shù)模塊 以生成補(bǔ)償因數(shù)(ksc)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于a)布置第三模數(shù)轉(zhuǎn)換器以將開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸入電壓(Vm)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸入電壓，以及b)布置自適應(yīng)斜率補(bǔ)償因數(shù)模塊以接收數(shù)字輸出電壓和數(shù)字輸入電壓以生成補(bǔ)償因 數(shù)(ksc)。
6.如權(quán)利要求1至5中的一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于所述裝置被集成為微控制器的 一部分。
7.—種用于開(kāi)關(guān)式電源的數(shù)字斜率補(bǔ)償方法，其中a)感測(cè)開(kāi)關(guān)式電源的模擬電感電流(ij，b)根據(jù)模擬電流閾值電平和模擬電感電流GJ的比較來(lái)生成觸發(fā)信號(hào)，以及c)由觸發(fā)信號(hào)來(lái)觸發(fā)脈寬調(diào)制信號(hào)以控制開(kāi)關(guān)式電源的操作， 其特征在于d)開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸出電壓被轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出電壓，e)數(shù)字輸出電壓被變換成數(shù)字電流閾值電平，以及f)根據(jù)數(shù)字電流閾值電平(i。mp)來(lái)生成模擬電流閾值電平。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于a)根據(jù)數(shù)字輸出電壓來(lái)生成數(shù)字電流基準(zhǔn)(0，d)開(kāi)關(guān)式電源的模擬電感電流GJ被轉(zhuǎn)換成數(shù)字電感電流，以及e)根據(jù)數(shù)字電流基準(zhǔn)(O、數(shù)字電感電流和補(bǔ)償因數(shù)(kse)來(lái)生成數(shù)字電流閾值電平cmp) °
9.如權(quán)利要求7或8中的一項(xiàng)所述的方法，其特征在于使用具有恒定值的補(bǔ)償因數(shù)(ksc) ο
10.如權(quán)利要求7或8中的一項(xiàng)所述的方法，其特征在于自適應(yīng)斜率補(bǔ)償因數(shù)模塊生 成補(bǔ)償因數(shù)(ksc)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于a)開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸入電壓(Vm)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸入電壓，以及b)根據(jù)數(shù)字輸出電壓和數(shù)字輸入電壓來(lái)生成補(bǔ)償因數(shù)(kse)。
12.如權(quán)利要求7至11中的一項(xiàng)所述的方法，其特征在于使用微控制器來(lái)執(zhí)行所述方
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電流模式控制的數(shù)字斜率補(bǔ)償。一種用于開(kāi)關(guān)式電源的數(shù)字斜率補(bǔ)償裝置和方法使用用于感測(cè)并生成開(kāi)關(guān)式電源的模擬電感電流(iL)的傳感器、用于根據(jù)模擬電流閾值電平和模擬電感電流(iL)的比較來(lái)生成觸發(fā)信號(hào)的比較器(2)、以及用于控制開(kāi)關(guān)式電源的操作的脈寬調(diào)制器(PWM)，其中，脈寬調(diào)制器(PWM)被布置為被比較器的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)。布置第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器以用于將開(kāi)關(guān)式電源的模擬輸出電壓(Vout)轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出電壓，布置用于將數(shù)字輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電流閾值電平(icmp)的裝置，并布置數(shù)模轉(zhuǎn)換器以用于根據(jù)數(shù)字電流閾值電平(icmp)生成模擬電流閾值電平。
文檔編號(hào)H02M3/155GK102025274SQ20101028769
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者F·沙夫邁斯特, T·格羅特 申請(qǐng)人:Det國(guó)際控股有限公司