用于利用使用电流注入的前沿调制控制来控制dc-dc转换器的输出波动的系统和方法
【专利摘要】在优选实施例中，电压转换器包括电压转换器电路、输出调整器和控制器。控制器以由输入信号集合动态确定的占空比提供控制信号。动态输出调整器通过基于增益Q调整输出电压的ac分量来确定输入信号集合。动态输出调整器减轻在模拟或数字转换器系统中在前沿调制下对Rc值的依赖性。除了实现期望的左半平面零点效应，动态输出调整减小输出波动的值。因此，如果，仅存在左半平面零点效应，则诸如输入-输出线性化的现代控制方法可以用于设计升压以及降压-升压PWM转换器。
【专利说明】用于利用使用电流注入的前沿调制控制来控制DC-DC转换器的输出波动的系统和方法
[0001]相关串请的交叉引用
本申请要求来自2012年12月19日向美国专利商标局提交的美国专利申请号13/720,850的优先权利益，该美国专利申请号13/720,850要求来自2011年12月20日提交的美国临时专利申请号61/578，137的优先权。
【技术领域】
[0002]本申请一般地涉及向电路提供调制信号，并且更具体地涉及用于利用前沿调制(“LEM”)控制来控制DC/DC转换器的输出波动的系统和方法。
【背景技术】
[0003]功率转换器用于将一种形式的能量转换为另一种(例如，AC到AC、AC到DC、DC到AC和DC到DC)，从而使得它可用于末端设备，诸如计算机、汽车、电子装置、电信、空间系统和卫星、以及电机。功率电子装置的每个应用涉及控制的某个方面。转换器通常由其能力和/或配置来标识，诸如降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、升压-降压转换器(Cuk)等。例如，DC-DC转换器属于称为“开关式转换器”或“开关式调节器”的转换器族。因为转换元件从一个状态切换到另一个状态，而不会在转换过程期间不必要地消耗功率，所以该转换器族是最有效率的。本质上，存在具有开关和两个配置(每一个可以被建模)的电路，比率⑷是指示其中所选取的开关处于“接通”位置而另一开关处于“截止”位置的时间的比率，并且该d被认为是控制输入。输入d通常通过脉宽调制(“PWM”)技术来驱动。
[0004]系统的从一个状态到另一个的切换以及伴随的非线性引起问题。状态空间平均减少了切换问题，从而通常使得系统成为用于升压转换器或降压-升压转换器的非线性平均系统。但是，当必须满足特定性能目标时，在这些非线性效应下对系统的控制变得困难。线性化主要通过泰勒级数展开来实现。高阶的非线性项被弃掉，并且线性近似代替非线性系统。该线性化方法已经被证明对于在特定操作点使控制环路稳定是有效的。然而，该方法的使用要求作出几个假设，其中之一是所谓的“小信号操作”。对于操作点附近的渐近稳定性，这很好地工作，但是忽略了当例如放大器在启动期间或在诸如负载或输入电压改变的瞬态模式期间饱和时可能导致控制环路的非线性操作的大信号效应。一旦非线性操作开始，控制环路可能具有在线性化中没有考虑的平衡态。
[0005]脉宽调制的一种最广泛使用的方法是后沿调制(“TEM”)，其中接通时间脉冲根据时钟开始，并且根据控制规则终止。在连续导通模式(“CCM”)中与利用开关接通时间采样的TEM相关联的不稳定零动态阻止使用的输入-输出反馈线性化，因为它将导致针对升压和降压-升压转换器的不稳定操作点。另一控制方法是LEM，其中，接通时间脉冲根据控制规则开始并且根据时钟终止。LEM和TEM之间的区别是:在TEM中，在开关关断之前由瞬时控制电压V。来确定脉冲宽度，而在LEM中,在开关接通之前由V。来确定脉冲宽度。
[0006]此外，本领域中公知的是，当采用利用接通时间开关采样的后沿调制时，脉宽调制(“PWM”)升压和降压-升压功率转换器呈现出右半平面零点效应。这使得控制设计非常困难。已经示出的是，如果在输出电容器的足够大的等效串联电阻(“ESR”)R。的情况下使用利用截止时间开关采样的前沿调制，则出现左半平面零点效应。这使得控制设计更加容易。
[0007]因此，存在对如下系统和方法的需要，该系统和方法用于利用LEM控制来控制DC-DC转换器的波动以在实现左平面零点效应的同时在模拟或数字转换器系统中减轻对LEM下的R。的值的依赖性。
【发明内容】
[0008]本公开包括一种电压转换器，通过基于电压转换器电路的调整的输出电压施加控制信号来控制该电压转换器。调整的输出电压取决于在电压转换器电路的电感器中的电感器电流波动。
[0009]在电压转换的优选方法中，通过提供具有作为电压源的输入电压并且产生负载电阻两端的输出电压的电压转换电路来将输入电压转换成输出电压。电感器电流流过电压转换器电路中的电感器，该电感器电流具有稳态分量和时变分量。输出调整器连接到电压转换器电路，输出调整器生成调整的输出电压，该调整的输出电压取决于输出电压以及由第一增益因子缩放的电感器电流的时变分量。控制器连接到输出调整器并且连接到电压转换器电路，该控制器生成具有占空比的控制信号，该控制信号控制电压转换器电路。根据调整的输出电压、输入电压、期望的输出电压、第二增益因子、电感器电流和第一增益因子来动态地确定占空比。电压转换器电路操作为使输出电压与期望的输出电压匹配。
[0010]在优选实施例中，调整的输出电压是电感器电流的时变分量的线性函数。
[0011]在优选实施例中，控制信号基于电压转换器电路的前沿调制来确定，并且该控制信号基于在稳定零动态情况下的状态变量集合的输入-输出反馈线性化，其中该状态变量的集合包括调整的输出电压。然而，任何适当的控制方法与该方法兼容。
[0012]在本公开的另一方面中，控制器针对第二增益利用比例、积分和微分增益。
[0013]在第一实施例中，电压转换器包括升压转换器电路、输出调整器和控制器。适当的占空比由控制器基于来自输出调整器的调整的输出电压生成并且被施加到升压转换器，其中调整的输出电压根据升压转换器的输出电压和电感器电流波动确定。
[0014]在第二实施例中，电压转换器包括降压-升压转换器电路、输出调整器和控制器。适当的占空比由控制器基于来自输出调整器的调整的输出电压生成并且被施加到降压-升压转换器，其中调整的输出电压根据降压-升压转换器的输出电压和电感器电流波动确定。
[0015]在第三实施例中，电压转换器包括降压转换器电路、输出调整器和控制器。适当的占空比由控制器基于来自输出调整器的调整的输出电压生成并且被施加到降压转换器，其中调整的输出电压根据降压转换器的输出电压和电感器电流波动确定。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是优选实施例的升压转换器的电路图。
[0017]图2是优选实施例的降压-升压转换器的电路图。
[0018]图3是优选实施例的降压转换器的电路图。
[0019]图4是包括转换器电路、输出调整器和控制器的电压转换器的优选实施例的框图。
[0020]图5是用于电压转换器的优选实施例的操作的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0021]在利用PWM控制的升压和降压-升压转换器的所公开的实施例中，测量电感器电流，并且在所测量的电感器电流和所测量的输出电流之间形成差电流。该差电流表示电感器电流波动，其被进一步缩放并且然后被注入转换器状态方程。公开了一种用于基于电感器电流波动变更转换器状态方程的方法。
[0022]在优选实施例中，本公开的方法可以用于在模拟或数字转换器系统中与前沿调制(“LEM”)和开关截止时间采样一起使用时减轻对输出电容器等效串联电阻(“ESR”)的值的依赖性。
[0023]图1图示了具有单个输出电压110 (y)的优选实施例升压转换器电路100。该升压转换器包括与电感器103 (L)、开关104 (S1)和DC电压输入101 (U。)串联连接的串联电阻器102 (Rs)0电容性电路包括开关105 (S2)，该开关105与电感器103串联连接，还与电容器106 (C)以及与电容器106关联的DC串联电阻107 (Rc)串联连接。负载电阻108(R)与电容器106和DC串联电阻107并联连接。输出电压110 (y)跨越负载电阻108。电感器电流112 (X1)作为通过电感器103和串联电阻器102的电流被测量。
[0024]图2图示了具有单个输出电压210 (y)的优选实施例降压-升压转换器电路200。该降压-升压转换器包括开关204 (S1)，开关204与还连接到电感器203 (L)的串联电阻器202 (Rs)串联连接。电感器203和开关204被连接到DC电压输入201 (U。)以实现串联电路。电容性电路包括开关205 (S2)，该开关205连接在开关204和电容器206 (C)之间，并且还与关联于电容器206的DC串联电阻207 (Rc)串联连接。负载电阻208 (R)与电容器206和DC串联电阻207并联连接。输出电压210 (y)跨越负载电阻208。电感器电流212 Cx1)作为通过电感器203和串联电阻器202的电流被测量。
[0025]图3图示了具有单个输出电压310 (y)的优选实施例的降压转换器电路300。降压转换器包括开关304 (S1)，开关304与连接到电感器303 (L)的串联电阻器302串联连接，电感器303还连接到负载电阻308 (R)。开关304和负载电阻308还连接到DC电压输Λ 301 (U。)以实现串联电路。开关305 (S2)被连接在开关304和DC电压输入301之间。电容性电路与负载电阻308并联连接，并且包括电容器306 (C)，电容器306连接到与电容器306相关联的DC串联电阻307 (Rc)0输出电压310 (y)跨越负载电阻308。电感器电流312 Cx1)作为通过电感器303和串联电阻器302的电流被测量。
[0026]通常，对于升压、降压-升压和降压电压转换器电路，系统由针对状态变量X1 (电感器电流)、χ2 (电容器电压)和y (输出电压)的状态方程来表征。控制信号被施加到由其瞬时占空比d表征的(S1)开关。升压电压转换器的稳态输出电压是输入电压的I/ (I D)倍，其中D是瞬时占空比d的稳态值。降压-升压转换器的稳态输出电压是输入电压的D/(1-D)倍，并且降压转换器的稳态输出电压是输入电压的D倍。
[0027]图4示出了适用于控制图1、图2和图3的电压转换器的控制电路400的优选实施例。控制电路400服从输入-输出线性化方法，该方法不把稳定限制到一个操作点，而是限制到横跨操作的启动和瞬态模式期间的期望的操作范围的操作点的集合。电压转换器电路402连接到DC输入电压401 Cu0),并且响应于由占空比d表征的控制信号409来产生输出电压410 (y)。输出调整器电路405感测电压转换器电路402的电感器电流412 (X1 )和负载电阻406 (R)，以根据ΛΕ (deltaE)增益因子416 (Q)来将输出电压410调整为调整的输出电压415 (y’)。调整的输出电压415和Λ E增益因子416被传送到控制器420。控制器420根据调整的输出电压415、Λ E增益因子416、DC输入电压401、期望输出电压419(yQ)以及包括例如负载电阻R和电感器电流X1的电路参数413来产生控制信号409。控制器420调整控制信号409以使输出电压410匹配期望的输出电压419。
[0028]控制器420和输出调整器405优选地被实现在一个或多个数字设备中，利用存储在存储器中并且由处理器执行以实现包括输出调整的转换器控制功能的可编程软件指令来实现。在替代实施例中，使用模拟实现方式代替数字实现方式。那么，如下所述的输出调整器方法被实现为硬件功能，包括模拟加法器和乘法器。
[0029]控制器420可以实现任何期望的控制方法。例如，适当地构建脉宽调制(PWM)控制器。该PWM控制器产生具有占空比d的驱动电压转换器的开关(S1)的控制信号。
[0030]在连续导通模式中利用后沿调制(TEM)和开关接通时间采样的电压转换器引起对于升压和降压-升压转换器的不稳定零动态，其中系统在操作点附近的线性段具有右半平面零点。在优选的控制实施例中，利用开关截止时间采样的前沿调制(LEM)通过改变零动态的控制器420来实现，使得系统的线性部分仅具有左半平面零点。因为产生的非线性系统具有稳定的零动态，所以可以采用输入-输出反馈线性化，其中线性化变换被执行并且用于定义对转换器的控制信号输入。该变换本质上是局部的，但是其可以被施加在针对多个DC-DC转换的任何状态空间操作点的附近。
[0031]在升压转换器的优选实施例中，升压转换器电路100代替电压转换器电路402，并且控制器420使用利用状态变量的开关截止时间采样的LEM。当输出调整器截止时，Q=O,
I，=y，并且用于升压转换器的动态状态方程是
【权利要求】
1.一种用于将输入电压转换成负载电阻两端的输出电压的电压转换器，包括: 具有电感器的电压转换器电路； 输出调整器，连接到所述电压转换器电路，被配置成基于所述输出电压以及通过所述电感器的电感器电流的时变分量来生成调整的输出电压，所述时变分量由第一增益因子缩放； 控制器，连接到所述输出调整器和所述电压转换器电路，被配置成生成控制信号给所述电压转换器电路； 所述控制信号具有基于所述调整的输出电压、所述输入电压、期望的输出电压、第二增益因子、所述电感器电流和所述第一增益因子的占空比；并且 由此，所述电压转换器电路改变所述输出电压以匹配所述期望的输出电压。
2.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述控制器被配置成生成用于前沿调制的所述控制信号。
3.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述控制器被配置成基于在稳定零动态情况下的状态变量集合的输入-输出反馈线性化来生成所述控制信号，所述状态变量集合包括所述调整的输出电压。
4.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述调整的输出电压是所述时变分量的线性函数。
5.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述第二增益因子包括由下述各项组成的组中的至少一个:比例增益、积分增益和微分增益。
6.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述电压转换器电路包括升压转换器电路。
7.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述电压转换器包括降压转换器电路。
8.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述电压转换器包括降压-升压转换器电路。
9.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述调整的输出电压根据下式来生成:
/ = >' + Q (?1 -1), 其中，y’是所述调整的输出电压，y是所述输出电压，Q是所述第一增益因子，X1是所述电感器电流，以及R是所述负载电阻。
10.根据权利要求9所述的电压转换器，其中，所述电压转换器电路包括: 升压转换器电路，其中，所述电感器连接到与串联电阻串联的所述输入电压的第一极； 所述升压转换器电路进一步包括: 第一开关，与所述电感器和所述输入电压的第二极串联连接并且由所述控制信号来控制； 第二开关，连接在所述电感器和电容器之间； 所述电容器，通过电容性电阻连接到所述输入电压的所述第二极； 所述负载电阻，与所述电容器和所述电容性电阻并联连接；并且 所述控制信号的占空比由下述公式给出:
其中，R是所述负载电阻，Rc是所述电容性电阻，Q是所述第一增益因子，k是所述第二增益因子，C是所述电容器的电容，L是所述电感器的电感，Rs是所述串联电阻，U0是所述输入电压，y’是所述调整的输出电压，X1是所述电感器电流， 并且％是所述期望的输出电压。
11.根据权利要求10所述的电压转换器，其中，所述控制信号的占空比由以下公式给出:
12.根据权利要求10所述的电压转换器，其中，所述控制信号的占空比由以下公式给出:
其中，
13.根据权利要求9所述的电压转换器，其中，所述电压转换器电路包括: 降压转换器电路，所述降压转换器电路进一步包括: 第一开关，与所述输入电压的第一极串联连接并且由所述控制信号来控制； 所述电感器，具有与所述第一开关和所述输入电压的第二极串联连接的串联电阻； 第二开关，连接在所述第一开关和电容器之间； 所述电容器，通过电容性电阻连接到所述输入电压的第二极； 所述负载电阻，与所述电容器和所述电容性电阻并联连接；并且 所述控制信号的占空比由以下公式来给出:
其中，R是所述负载电阻，Re是所述电容性电阻，Q是所述第一增益因子，k是所述第二增益因子，C是所述电容器的电容，L是所述电感器的电感，Rs是所述串联电阻，U0是所述输入电压，I，是所述调整的输出电压，X1是所述电感器电流，并且.等于所述期望的输出电压。
14.根据权利要求13所述的电压转换器，其中，所述控制信号的占空比由以下公式给出:
15.根据权利要求13所述的电压转换器，其中，所述控制信号的占空比由以下公式给出:
16.根据权利要求1所述的电压转换器，其中: 所述电压转换器电路进一步包括具有电容性电阻并且与所述负载电阻并联连接的电容器；并且 所述调整的输出电压根据下式来生成:
其中，y’是所述调整的输出电压，y是所述输出电压，Q是所述第一增益因子，X1是所述电感器电流，R是所述负载电阻，并且R。是所述电容性电阻。
17.根据权利要求1所述的电压转换器，其中，所述调整的输出电压根据下式来生成:
其中，y’是所述调整的输出电压，y是所述输出电压，Q是所述第一增益因子，X1是所述电感器电流，以及R是所述负载电阻。
18.根据权利要求17所述的电压转换器，其中，所述电压转换器电路包括: 降压-升压转换器电路，所述降压-升压转换器电路进一步包括: 第一开关，与所述输入电压的第一极串联连接并且由所述控制信号来控制；所述电感器，具有与所述第一开关和所述输入电压的第二极串联连接的串联电阻； 第二开关，连接在所述第一开关和电容器之间； 所述电容器，通过电容性电阻连接到所述输入电压的第二极； 所述负载电阻，与所述电容器和所述电容性电阻并联连接；并且 所述控制信号的占空比由以下公式来给出:
其中，R是所述负载电阻，Rc是所述电容性电阻，Q是所述第一增益因子，k是所述第二增益因子，C是所述电容器的电容，L是所述电感器的电感，Rs是所述串联电阻，U0是所述输入电压，I，是所述调整的输出电压，X1是所述电感器电流，
并且I,是所述期望的输出电压。
19.根据权利要求18所述的电压转换器，其中，所述控制信号的占空比由以下公式给出:
20.根据权利要求18所述的电压转换器，其中，所述控制信号的占空比由以下公式给出:
21.—种将输入电压转换成负载电阻两端的输出电压的方法,包括: 提供电压转换器电路，所述电压转换器电路具有作为电压源的所述输入电压并且产生所述输出电压； 提供流过所述电压转换器电路中的电感器的电感器电流，所述电感器电流具有时变分量; 提供连接到所述电压转换器电路的输出调整器；生成调整的输出电压，所述调整的输出电压依赖于所述输出电压以及由第一增益因子缩放的所述电感器电流的所述时变分量； 提供连接到所述输出调整器和所述电压转换器电路的控制器； 生成具有占空比的控制信号，所述控制信号控制所述电压转换器电路； 根据所述调整的输出电压、所述输入电压、期望的输出电压、第二增益因子、所述电感器电流和所述第一增益因子来动态地确定所述占空比；并且 由此，所述电压转换器电路产生匹配所述期望的输出电压的所述输出电压。
22.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 基于所述电压转换器电路的前沿调制来生成所述控制信号。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 基于在稳定零动态情况下的状态变量集合的输入-输出反馈线性化来生成所述控制信号，其中所述状态变量集合包括所述调整的输出电压。
24.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 将所述调整的输出电压确定为所述时变分量的线性函数。
25.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 根据下式来生成所述调整的输出电压
其中，y’是所述调整的输出电压，y是所述输出电压，Q是所述第一增益因子，X1是所述电感器电流，并且R是所述负载电阻。
26.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 根据下式来生成所述调整的输出电压
其中，y’是所述调整的输出电压，y是所述输出电压，Q是所述第一增益因子，X1是所述电感器电流，并且R是所述负载电阻。
27.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 根据下式来生成所述调整的输出电压
其中，y’是所述调整的输出电压，y是所述输出电压，Q是所述第一增益因子，X1是所述电感器电流，R是所述负载电阻，并且R。是与所述负载电阻并联的电容器的电容性电阻。
28.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 根据下式来生成所述调整的输出电压
其中，y’是所述调整的输出电压，y是所述输出电压，Q是所述第一增益因子，X1是所述电感器电流，R是所述负载电阻，并且R。是与所述负载电阻并联的电容器的电容性电阻。
29.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 根据由下列各项组成的组中的至少一个来动态地确定所述第二增益因子:比例增益、积分增益和微分增益。
30.根据权利要求22所述的方法，进一步为所述电压转换器电路提供升压转换器电路。
31.根据权利要求22所述的方法，进一步为所述电压转换器电路提供降压-升压转换器电路。
32.根据权利要求22所述的方法，进一步为所述电压转换器电路提供降压转换器电路。
33.根据权利要求22所述的方法，进一步包括:控制所述电压转换器电路以产生与调整的期望输出电压匹配的所述调整的输出电压。
34.根据权利要求22所述的方法，进一步包括: 测量所述电压转换器电路的电路参数集合； 基于所述电路参数集合来确定所述第一增益； 确定所述第二增益； 将具有所述占空比的所述控制信号重复地施加到所述电压转换器电路； 重复地测量所述电路参数集合； 基于所述电路参数集合来重复地调整所述占空比；以及 如果接收到停止所述控制的指令，则停止所述方法。
35.根据权利要求35所述的方法，进一步包括调整所述第一增益。
【文档编号】G05F1/10GK104169825SQ201280063343
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2012年12月19日 优先权日:2011年12月20日
【发明者】R.J.泰勒, L.R.亨特, V.V.帕杜瓦利 申请人:西拉西斯公司, 得克萨斯系统大学评议会