用於電流模式控制的數字斜率補償的製作方法

2023-11-01 04:07:02 1

專利名稱：用於電流模式控制的數字斜率補償的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於開關式電源的數字斜率補償裝置，其中，將傳感器用於感測開 關式電源的模擬電感電流(inductor current)，將比較器用於根據模擬電流閾值電平和模擬 電感電流的比較來生成觸發信號，並將脈寬調製器用於控制開關式電源的操作，其中， 所述脈寬調製器被布置為被所述比較器的觸發信號觸發。本發明還涉及用於開關式電源 的數字斜率補償方法，其中，感測開關式電源的模擬電感電流，生成根據模擬電流閾值 電平和模擬電感電流的比較的觸發信號，並由該觸發信號觸發脈寬調製信號以控制開關 式電源的操作。
背景技術：
電流模式控制是用於開關式電源6MPS)的常用控制方法。與電壓模式控制相 比，其表現出導致改善的控制環路動態的高頻帶寬並得到更好的線噪聲抑制。隨著小信 號動態從二階減小至一階，其另外簡化了外電壓環路設計。
可以將電流模式控制分類為平均電流模式和峰值電流模式。如名稱所暗示的 那樣，平均電流模式控制調整平均電感電流。特別地，在升壓(Boost)型功率因數修正 (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，其中，佔空比(duty cycle)在電感電流達到由外電壓控制器定義的閾值 電平時終止。這種技術的特徵在於某些固有優點，諸如簡單的逐循環(cycle)電流限制 和並聯轉換器的良好電流共享。平均與峰值電流控制的組合是過渡或邊界模式控制，其 中，在連續導通模式(CCM)和不連續導通模式(DCM)的邊界處驅動轉換器。邊界模式 的特性是變化的開關頻率且峰值電流是平均電流的兩倍大。但是需要進行額外的努力以 檢測零電流。
US 7,479,778(國家半導體公司)公開了一種用於基於與電感器相關的斜率來自 適應地調整開關調節器中的參數的系統。控制環路對由具有電容器和電流源的斜坡發 生器生成的斜坡信號進行響應，其中，對所述電流源和電容器中的至少一個進行調整以 修改斜坡信號的斜率。通過動態地調整斜坡信號的斜率，為在工作期間可以動態地改變 的一定範圍的電感值提供斜率補償。可以由包括電晶體的模擬電路或由控制電流源的 DAC (DAC 數字模擬轉換器)來執行調整。
US 7,236,376 (System General Corp.)公開了在電源的主側控制輸出電流。主側開關電流的感測信號被饋送到控制器的波形檢測器。波形檢測器生成電流波形信號。響 應於該電流波形信號而生成平均電流信號。積分器生成積分信號，其與開關信號的開關 周期相關並與輸出電流成比例。開關信號的脈衝寬度受到控制且可以調節電源的輸出電 流。
US 7,433,599(富士通有限公司)公開了一種對光學通信系統中的傳輸質量退化 進行補償的自動色散補償裝置。提供了傳輸質量測量單元和色散補償量控制單元。程序 使得計算機能夠執行接收測量結果的步驟、檢測並分離傳輸質量退化的步驟、以及控制補償的步驟。
然而，在CCM中存在峰值電流模式控制的多個缺點控制使穩定性放鬆，如果 佔空比超過50%，則導致次諧波振蕩，由峰值而不是平均電流感測和噪聲敏感度引起的 非理想控制響應，特別是在小的電感電流波紋下。恢復穩定性的常見方法是以50%以上 的佔空比在峰值電流控制轉換器中應用所謂的斜率補償。隨著計算能力的提高和成本的 降低，DSP和基於微控制器的數字控制在SMPS應用中變得越來越重要。這種措施提供 了許多益處，諸如靈活性和可編程性、導致改善的可靠性的有源和無源組件的數目的減 少、可忽略或可補償的偏移和熱漂移。另外，數字控制提供實現複雜、自適應且非線性 的控制方法以改善靜態和動態性能的潛力。
完全數控轉換器主要計算佔空比並使用集成數字脈寬調製(DPWM)發生器來控 制開關。並且，包括現有技術斜率補償的全數字峰值電流控制是基於對期望的佔空比進 行預先計算，其需要電感值L的準確知識。使用這些技術，不能使用上述峰值電流控制 的固有優點。然而，用包括片上比較器和比較器的內部輸入端處的專用集成DAC的可用 微控制器，基本上可用簡單的組件實現純數字峰值電流控制。然而，數字控制中的斜率 補償的實現仍存在挑戰，因為在每個開關循環期間需要連續增大的斜坡函數。發明內容
本發明的目的是產生屬於最初提及的技術領域的裝置和方法，其提供數目減少 的有源和無源組件以及改善的可靠性。
由本發明的特徵來指定本發明的解決方案。根據本發明，布置第一模數轉換 器，其用於將開關式電源的模擬輸出電壓轉換成數字輸出電壓。布置用於將數字輸出電 壓轉換成數字電流閾值電平的裝置，並且布置用於根據數字電流閾值電平生成模擬電流 閾值電平的數模轉換器。
根據本發明，提出一種用於峰值電流控制的數字斜率補償技術，其不使用斜坡 並因此減少了組件的數目，但是對期望的比較器關斷閾值進行預先計算。
在優選實施例中，布置電壓控制器以接收數字輸出電壓並生成數字電流基準。 布置第二模數轉換器以將開關式電源的模擬電感電流轉換成數字電感電流，並布置數字 斜率補償模塊以接收數字電流基準、數字電感電流、和補償因數以生成數字電流閾值電 平。
根據谷值電感電流對期望的比較器關斷閾值進行預先計算。
優選地，將補償因數布置成恆定值。因此，僅計算補償因數一次且其在電源開 關單元的整個壽命期間理想地是固定的。但是如果需要，可以簡單地經由軟體更新來重 新調整補償因數-即使該單元在現場。用數目減少的組件實現了現有技術模擬斜率補償 的功能，並且同時獲得經由軟體更新進行重新調整的附加靈活性。
在替換實施例中，布置自適應斜率補償因數模塊以生成補償因數。在電源開關 單元的工作期間連續地計算補償因數，這得到改善的動態響應以及組件的數目減少。
優選地，布置第三模數轉換器以將開關式電源的模擬輸入電壓轉換成數字輸入 電壓。所述自適應斜率補償因數模塊被布置為接收數字輸出電壓和數字輸入電壓以生成 補償因數。
根據測量的輸入電壓和輸出電壓，在電源開關元件的工作期間連續地重新計算 補償因數。不需要電感值的知識。自適應算法保持斜率補償量可調整以在不發生次諧波 振蕩的情況下實現最小響應時間。
在優選實施例中，所述裝置被集成到微控制器的一部分中。因此，單個微控制 器促進包括斜率補償的整體控制。到目前為止，在微控制器內可以進行數字電壓控制， 但是對於斜率補償而言，必須保持模擬並使用具有附加組件的模擬電路。
在用於開關式電源的數字斜率補償方法中，將開關式電源的模擬輸出電壓轉換 成數字輸出電壓，將數字輸出電壓變換成數字電流閾值電平，並且根據數字電流閾值電 平生成模擬電流閾值電平。
優選地，根據數字輸出電壓生成數字電流基準電平，將開關式電源的模擬電感 電流轉換成數字電感電流，並且根據數字電流基準、數字電感電流、和補償因數來生成 數字電流閾值電平。
優選地，使用具有恆定值的補償因數。
或者，自適應斜率補償因數模塊生成補償因數。
優選地，將開關式電源的模擬輸入電壓轉換成數字輸入電壓，並根據數字輸出 電壓和數字輸入電壓生成補償因數。
優選地，使用微控制器來執行該方法。
通過以下詳細說明和總體的權利要求，看清楚其它有利實施例和特徵組合。


用來解釋實施例的附圖示出
圖1具有斜率補償的峰值電流控制升壓轉換器；
圖2用於m2 > In1的峰值電流控制下的電感電流中的增長的幹擾；
圖3具有斜率補償的峰值電流控制下的電感電流；
圖4說明數字斜率補償的原理的電感電流特性；
圖5在微控制器上實現的數字控制結構的方案；
圖6、圖7、圖8具有斜率補償的峰值電流控制的仿真結果； 圖9示出在每個新的循環開始時在MOSFET路徑中出現電流尖峰；圖10示出反向恢復電流引起高電流尖峰可能超過比較器關斷閾值並迫使出現比較器 的錯誤觸發，這導致錯誤的次諧波振蕩；圖11示出如果電流在新閾值值被更新之前達到在前一循環中計算的舊閾值值，則發 生過早關斷，這也可能導致不期望的次諧波振蕩； 圖12示出考慮了各個實際方面的時序圖；圖13示出控制環路在沒有次諧波振蕩的情況下工作至高佔空比值；以及 圖14、15示出略微在最小所需值之上的已實現斜率因數的電流基準階躍的瞬時響應。
在圖中，對相同的組件給定相同的參考標號。
具體實施方式
電流模式控制在現有技術中是眾所周知的。在圖1中示出具有帶有模擬斜率補償的外電壓環路和內峰值電流控制環路的升壓轉換器的控制塊。峰值電流模式控制的基 本原理和斜率補償的需要如下。
為了導出表徵到次諧波振蕩的過渡的峰值電流模式控制CCM轉換器的穩定性標 準，應在第一步驟中分析沒有斜率補償的操作。因此，我們參照圖2，其中，對比單個開 關周期Ts對無幹擾(實線)和有幹擾(虛線)電感電流進行繪圖。兩個電感電流形狀具 有相同的上升斜率ml、下降斜率m2和峰值值/。
對於無幹擾情況(圖2中的實線)而言，可以直接導出
權利要求
1.一種用於開關式電源的數字斜率補償裝置，包括a)傳感器，其用於感測開關式電源的模擬電感電流(ij，b)比較器(2)，其用於根據模擬電流閾值電平與模擬電感電流GJ的比較來生成觸發 信號，以及C)脈寬調製器(PWM)，其用於控制開關式電源的操作，其中，脈寬調製器(PWM) 被布置為由所述比較器的觸發信號來觸發。 其特徵在於d)布置第一模數轉換器以用於將開關式電源的模擬輸出電壓(V。ut)轉換成數字輸出電壓，e)布置至少一個變換模塊以用於將數字輸出電壓變換成數字電流閾值電平(i。mp)，以及f)布置數模轉換器以用於根據數字電流閾值電平(i。mp)來生成模擬電流閾值電平。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於a)布置電壓控制器以接收數字輸出電壓並生成數字電流基準(0，b)布置第二模數轉換器以將開關式電源的模擬電感電流GJ轉換成數字電感電流，以及c)布置數字斜率補償模塊以接收數字電流基準(O、數字電感電流、和補償因數 (ksc)以生成數字電流閾值電平(i。mp)。
3.如權利要求1或2中的一項所述的裝置，其特徵在於補償因數(kse)被布置為恆定值。
4.如權利要求1或2中的一項所述的裝置，其特徵在於布置自適應斜率補償因數模塊 以生成補償因數(ksc)。
5.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於a)布置第三模數轉換器以將開關式電源的模擬輸入電壓(Vm)轉換成數字輸入電壓，以及b)布置自適應斜率補償因數模塊以接收數字輸出電壓和數字輸入電壓以生成補償因 數(ksc)。
6.如權利要求1至5中的一項所述的裝置，其特徵在於所述裝置被集成為微控制器的 一部分。
7.—種用於開關式電源的數字斜率補償方法，其中a)感測開關式電源的模擬電感電流(ij，b)根據模擬電流閾值電平和模擬電感電流GJ的比較來生成觸發信號，以及c)由觸發信號來觸發脈寬調製信號以控制開關式電源的操作， 其特徵在於d)開關式電源的模擬輸出電壓被轉換成數字輸出電壓，e)數字輸出電壓被變換成數字電流閾值電平，以及f)根據數字電流閾值電平(i。mp)來生成模擬電流閾值電平。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於a)根據數字輸出電壓來生成數字電流基準(0，d)開關式電源的模擬電感電流GJ被轉換成數字電感電流，以及e)根據數字電流基準(O、數字電感電流和補償因數(kse)來生成數字電流閾值電平cmp) °
9.如權利要求7或8中的一項所述的方法，其特徵在於使用具有恆定值的補償因數(ksc) ο
10.如權利要求7或8中的一項所述的方法，其特徵在於自適應斜率補償因數模塊生 成補償因數(ksc)。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於a)開關式電源的模擬輸入電壓(Vm)被轉換成數字輸入電壓，以及b)根據數字輸出電壓和數字輸入電壓來生成補償因數(kse)。
12.如權利要求7至11中的一項所述的方法，其特徵在於使用微控制器來執行所述方
全文摘要
本發明涉及用於電流模式控制的數字斜率補償。一種用於開關式電源的數字斜率補償裝置和方法使用用於感測並生成開關式電源的模擬電感電流(iL)的傳感器、用於根據模擬電流閾值電平和模擬電感電流(iL)的比較來生成觸發信號的比較器(2)、以及用於控制開關式電源的操作的脈寬調製器(PWM)，其中，脈寬調製器(PWM)被布置為被比較器的觸發信號觸發。布置第一模數轉換器以用於將開關式電源的模擬輸出電壓(Vout)轉換成數字輸出電壓，布置用於將數字輸出電壓轉換成數字電流閾值電平(icmp)的裝置，並布置數模轉換器以用於根據數字電流閾值電平(icmp)生成模擬電流閾值電平。
文檔編號H02M3/155GK102025274SQ20101028769
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月17日 優先權日2009年9月18日
發明者F·沙夫邁斯特, T·格羅特 申請人:Det國際控股有限公司