专利名称：应用于电源的数字补偿器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及电源控制和一些类似装置。
背景技术：
电源，特别是降压调节器，是现有技术当中很重要的组成部分。这些装置主要由两部分构成，电力电子设备和控制器。控制器的作用在于使得电力电子设备的运行满足负载的系统要求。不论是电力电子设备部分还是控制器都需要被设计成满足电气规范和成本方面的要求目标。基于摩尔定律关于数码电子产品成本减少的理论，目前的趋势是将数码电子产品应用于控制器当中。一个有效控制器的关键需求特性是快速设定时间、低直流误差、可调输出阻抗、 电流限制，以及稳定性。具备上述所列特性的高性能数字补偿控制器是很有必要的。数字补偿器通常作为PID或带有额外滤波的PID来实现，这些是一般的旧有模拟设计的数字实现方法。目前有三种普遍方法用于电流感应。第一种方法是测量一个或多个功率场效应晶体管的压降以及利用功率场效应晶体管(FET)的导通电阻来计算感应电流。这种方法有很大限制。首先，功率FET的导通电阻公差大并具有温度依赖性。第二，FET上的电压非常小， 难以精确测量。图2显示了与电感串联的感应电阻的第二种方法。测量感应电阻两端的电压，然后确定电流。这种方法的限制在于需要一电感串联的外部功率电阻。这种电阻降低了供电效率并且增加了成本。为了提高效率，电阻的阻值可以降低，但是这样会导致由于噪声而引起的测量的复杂化。如图3所示，第三种方法是利用一外部RC网络来模拟电感及其串联等效电阻， Rdc0这种方法的一个困难之处在于电感的串联电阻与温度相关，并且可能不清楚。此外， 由于FET的快速开关及其噪声，其他的一些实际限制也会产生。所有上述方法都会有噪声灵敏度的问题，并且，在上述两个例子中，还会有参数不确定性问题。同时，对于补偿而言，所需要的并不是实际电感电流，而是在一个PWM周期内的电感电流的平均值。在连续传导的过程中，由于功率FET产生的脉宽调制驱动信号，电感电流具有类三角形波形。所有这些方法都不能提供实际的平均电感电流。因此需要一种能够减少组件成本、降低噪声灵敏度、参数稳定并能提供一个PWM 周期的平均电感电流的方法。

发明内容
在一个实施例中，本发明的系统包括一混合信号状态估计器，和平均电感电流估计器，以及占空比计算器。在一个实例中，平均电感估计器包括利用平均开关电压和平均输出电压来获得平均电感电流的估计值。在另一个实例中，测量值被用于调整估计值。在一测量值被用于调整估计值的实施例中，带有预设极点分布的低通滤波器被用来校正混杂问题。在一个实施例中，混合信号状态估计器同时包括一高动态范围DAC和一低动态范围ADC。所述混合信号状态估计器的其他实施例也公开了。占空比计算的实施例也公开了。


为了更好地理解本发明，以及其他和更进一步的需求，附图和详细说明将作为参考，所附权利要求将指出其保护范围。图1显示了本发明一实施例的方框图； 图2阐明了一用于电流感应的常规方法； 图3阐明了另一用于电流感应的常规方法；
图4a、4b是本发明的一个系统的原理图，该系统包括一电流估计器的实施例； 图5显示了本发明电流估计器的一实施例的方框图； 图6a、6b显示了本发明电流估计器的另一实施例的方框图； 图7显示了本发明电流估计器的又一实施例的方框图； 图8是一多分辨率ADC的原理图解表示； 图9是一多分辨率ADC的一个实施例的原理方框图表示； 图10是本发明系统组件的一个实施例的原理方框图表示； 图11是本发明数字补偿器的实施例的原理方框图表示；以及图12-18是本发明系统的一个实施例的示范性结果的原理图解表示。
具体实施例方式图1显示了本发明的一实施例的方框图。该实施例包括一混合信号状态估计器、 电感电流估计器，和占空比计算器。参考图1，其中显示的是一开关电源，包括具有两个或多个用于提供输出电压的电抗组件10、15的电路，其中两个或多个电抗组件中的一个是电感；一在两个或多个开关状态间转换电路的开关组件20，所述两个或多个开关状态包括一个输出状态和另一个电压状态；一脉宽调制器25和一控制器30。脉宽调制器25接收占空比并将开关组件20下拉以引起两个或多个开关状态间的转换。控制器30包括一用于提供电感电流估计的电感电流估计器35，其中电感电流不是被直接测量出来的；一状态估计器 40，可以接收电感电流估计提供系统状态的估计，其中状态估计器同时包括模拟和数字组件(也被称之为混合信号状态估计器)以及一占空比确定组件45 (也被称之为占空比计算组件)，该占空比确定组件45接收系统状态估计和电感电流估计并提供一个占空比给所述脉宽调制器25。如图1所示，其是一个具有计算机可读代码的计算机可执行媒介50，该计算机可读代码使得处理器55能够执行在电流估计器35、混合信号状态估计器40和占空比计算45功能运行中的所需操作。图1所示的实施例采用了降压转换器拓扑结构。然而，本发明的方法适用于任何降压、升压、或降压-升压、前移、回归、单端初级电感、升降等类型的通用变换器。如图1所示，其中所示实施例是三个部分的结合运作以构成所需的数字补偿器。这些部分是平均电感电流估计器、混合信号状态估计器，以及占空比计算器。平均电感电流估计器
在平均电感电流估计器的一个实施例中，采用平均开关电压以及通过电感器的平均电压获得平均电感电流。在一般的数字电源的应用中，输出电压和电源电压被模数转换器数字化。图如和4b显示的是包括一电感电流预测组件的开关电源的一个实施例(控制器的其他组件没有显示)。参考图4a，一模拟数字转换器(ADC) 60对通过电容器15的输出电压进行数字化。经过数字化的输出电压提供给所述电感电流预测组件70。所示另外一个 ADC 65对输入电压Vdd进行数字化。输出电压和开关电压(SW)的平均值能够通过常规的
移动平均(running average)
权利要求
1.一种用于开关电源的电感电流估计器，所述电感电流估计器包括 向开关电源输入端提供开关电压平均值的第一感应/平均组件；提供所述开关电源输出电压平均值的第二感应/平均组件； 接收开关电压平均值和输出电压平均值的减法组件；接收所述减法组件输出，并将减法组件输出与第一模型参数作乘法运算的第一乘法组件；将第二乘法组件的输入与第二模型参数作乘法运算的第二乘法组件；接收第一乘法组件输出和第二乘法组件输出的加法组件；以及接收所述加法组件输出的延时组件；所述第二乘法组件的输入即为延时组件的输出。
2.根据权利要求1所述的电感电流估计器，其中所述第一和第二模型参数通过零阶保持离散时间估计获得。
3.根据权利要求1所述的电感电流估计器，其中所述开关电源是一降压调节器；并且其中所述第一模型参数由T/L给出； 所述第二模型参数由1-RT/L给出； 其中T是PWM周期时间； L是电感器电感；以及 R是功率级DC电阻。
4.根据权利要求1所述的电感电流估计器，进一步包括低通滤波器；在频率表示中，所述低通滤波器的极点实质上被选择用于校正混杂问题； 所述低通滤波器接收测量电感电压；接收所述低通滤波器数字化输出的极点-零点滤波器；所述极点-零点滤波器的零点被调整以补偿外部反混杂滤波器；所述极点-零点滤波器的极点被调整以实质上匹配电感时间常数；所述极点-零点滤波器的输出与预设滤波器增益相乘的值即为测量电感电流；比较组件将预测电感电流与测量电感电流进行比较；以及调整组件接收所述比较组件的输出，并提供调整后的表示电感电流平衡的所述离散时间参数的值。
5.根据权利要求4所述的电感电流估计器，进一步包括 接收开关电压的平均值和输出电压的平均值的减法组件； 其中所述调整组件提供第一和第二模型参数调整后的值；所述预测电感电流通过以下方式获得，其为所述第一模型参数乘以所述减法组件的输出的乘积加上所述第二模型组件参数与先前预测的电感电流延时值的乘积的总和。
6.根据权利要求5所述的电感电流估计器，其中LMS方法被用于调整组件中。
7.一种用于开关电源的状态估计器，所述状态估计器包括高动态范围数模转换器(DAC)，接收估计输出电压；所述估计输出电压通过将估计状态矢量与输出矩阵作乘法运算得到；模拟减法组件，从测量输出电压中将所述高动态范围DAC的输出减去；模数转换器(ADC)，接收所述模拟减法组件的输出；第一延时组件，接收所述估计输出电压；加法组件，接收所述ADC的输出和所述第一延时组件的输出；减法组件，接收所述加法组件的输出和估计输出电压；所述减法组件的输出即为电压误差；所述电压误差被用于获取所述估计状态矢量。
8.根据权利要求7所述的状态估计器，其中所述ADC为在动态范围的中心具有高分辨率以及在远离动态范围中心具有低分辨率的多分辨率ADC。
9.根据权利要求8所述的状态估计器，其中所述多分辨率ADC包括 低动态范围、高分辨率ADC;高动态范围低分辨率ADC ；所述低动态范围高分辨率ADC和所述高动态范围低分辨率 ADC具有同样的输入；饱和组件，具有和所述低动态范围、高分辨率ADC相同的动态范围；所述饱和组件接收所述高动态范围、低分辨率ADC的输出；减法组件，提供所述高动态范围低分辨率ADC输出和所述减法组件输出之间的差；以及加法组件，接收所述减法组件的输出和所述低动态范围高分辨率ADC的输出；所述加法组件的输出即为所述多分辨率ADC的输出。
10.根据权利要求7所述的状态估计器，进一步包括第一乘法器，接收所述电压误差并将所述电压误差与输出误差反馈矩阵作乘法运算； 第二乘法器，接收预设/先前获得的反馈信号并将反馈信号和输入矩阵作乘法运算； 第二延时组件；第三乘法器，接收所述第二延时组件的输出；另一加法组件，接收所述第一、第二和第三乘法器的输出，并提供接收量的总和； 所述另一加法组件的输出即为估计状态矢量。
11.根据权利要求10所述的状态估计器，进一步包括 低分辨率ADC，接收负载电流信号；第四乘法器，接收低分辨率ADC的输出；所述第四乘法器将所述低分辨率ADC的输出与正反馈矩阵作乘法运算；所述第四乘法器的输出被所述另一加法组件接收。
12.一种用于开关电源的占空比确定系统，所述占空比确定系统包括第一乘法器，接收电感电流估计并将所述电感电流估计与第一增益作乘法运算； 另一减法组件，接收电容电压和预定电压参考值，并提供所述电容电压和预定电压参考值之间的差；第二乘法器，接收除电容电压外的状态矢量元素和所述另一减法组件的输出，并将所述接收到的状态矢量元素和所述另一减法组件的输出与第二增益矢量作乘法运算；组合组件，接收所述第一乘法器的输出和第二乘法器的输出；所述组合组件提供所述第一乘法器输出和第二乘法器输出总和的负值；第三乘法器，接收所述电感电流估计并将所述电感电流估计与第三增益作乘法运算； 另一加法组件，接收所述组合组件的输出和所述第三乘法器的输出，并提供所述组合组件输出和所述第三乘法器输出的总和；倒数组件，接收功率级输入电压，并提供所述功率级输入电压的倒数作为其输出；以及乘法组件，将所述倒数组件的输出和所述另一加法组件的输出相乘；所述乘法组件的输出即为所述占空比。
13.根据权利要求12所述的占空比确定系统，进一步包括第四乘法器，接收所述电感电流估计并将所述电感电流估计与除以采样率后的功率级电感值作乘法运算；以及另一组合组件，接收所述第四乘法器的输出、输出电压和最大允许平均电感电流乘以功率级总电阻与除以采样率后的功率级电感的总和的乘积，并提供所述占空比确定系统乘法器输出和所述输出电压的总和以及所述乘积之间的差；所述另一组合组件的输出即为在下一采样时间内的最大允许平均开关电压。
14.根据权利要求13所述的占空比确定系统，其中所述占空比确定组件进一步包括 第一饱和组件，接收所述组合组件的输出；所述第一饱和组件限制所述组合组件的输出；最小选择组件，接收所述第一饱和组件的输出和所述另一组合组件的输出；所述最小选择组件提供所述第一饱和组件输出和所述另一组合组件输出的最小值；其中所述另一加法组件接收所述最小选择组件输出和所述第三乘法器的输出；以及第二饱和组件，接收所述另一加法组件的输出；所述第二饱和组件限制所述另一加法组件的输出；以及其中所述乘法组件将所述倒数组件的输出和所述第二饱和组件的输出相乘。
15.一种在开关电源中估计电感电流的方法，所述方法包括 获取开关电源输入的开关电压的平均值；获取开关电源输出电压的平均值；获取开关电压平均值与输出电压平均值的差；由此获得第一乘积值； 将所述差值与第一模型参数作乘法运算；将先前估计的电感电流延时值与第二模型参数作乘法运算；由此获得第二乘积值；并且将所述第一乘积值与所述第二乘积值相加； 由此获得估计电感电流。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤 测量电感电压；提供极点-零点；选择所述极点-零点滤波器的零点用于补偿外部反混杂滤波器； 选择所述极点-零点滤波器的极点用于实质上与电感时间常数相匹配； 滤除极点-零点滤波器上的测量电感电压；将所述极点-零点滤波器的输出与预设滤波器增益相乘；由此获得测量电感电流； 将所述估计电感电流与测量电感电流作比较；并基于所述比较，调整所述第一和第二模型参数；并利用调整后的第一和第二模型参数获得估计电感电流的下一个值。
17.一种在开关电源上测量电感电流的方法，所述方法包括以下步骤 测量电感电压；提供极点-零点；选择所述极点-零点滤波器的零点用于补偿外部反混杂滤波器；选择所述极点-零点滤波器的极点用于实质上与电感时间常数相匹配； 滤除极点-零点滤波器上的测量电感电压；以及将所述极点-零点滤波器的输出与预设滤波器增益相乘。
全文摘要
本发明公开了一种应用于电源的数字补偿器。在一个实施例中，本发明系统包括混合信号状态估计器、平均电感电流估计器和占空比计算器。
文档编号G01R27/28GK102282473SQ200980146646
公开日2011年12月14日 申请日期2009年11月20日 优先权日2008年11月21日
发明者P·W·莱瑟姆二世, S·肯利 申请人:L & L建筑公司