专利名称：用于开关模式电源的前馈数字控制单元及其方法
技术领域：
本发明一般涉及开关模式电源领域(有时也称为电闸模式电源或切换模式电源)，特别地涉及确定控制开关模式电源的占空比的控制信号。
背景技术：
开关模式电源(SMPS)是一种众所周知类型的功率转换器，由于其尺寸小、重量轻和效率高的优点而应用广泛。例如，SMPS广泛用于个人计算机和例如手机的便携电子装置。SMPS通过高频率(通常几十到几百kHz)开关开关元件(例如功率M0SFET)来实现这些优点，其中使用反馈信号来调节开关频率或占空比来将输入电压转换为希望的输出电压。SMPS可以采用整流器(AC/DC转换器)、DC/DC转换器、变频器(AC/AC)或逆变器(DC/AC)的形式。 在大多数SMPS拓扑中，输出电压Vtjut与输入电压Vin直接成比例Vout - DVin 等式 I在上述等式I中，D是开关的占空比。为了使实际输出电压和希望的输出电压之间的差最小化，占空比通常根据反馈信号来控制，其中反馈信号是测量的输出电压和希望的输出电压之间的误差信号。误差信号被反馈到控制占空比的反馈单元，使得测量的输出电压被调节到希望的输出电压。在所有条件下将SMPS的输出电压保持在其希望电平是优选。然而，输入电压的瞬变将造成输出电压几乎立即改变。通常，仅有SMPS的输出滤波器中的惯性可减少这种影响。另外反馈到反馈单元的误差信号经常过于缓慢地改变占空比，这引入输出电压的大瞬变。对于输入瞬变造成的问题的已知解决方法是将电压前馈(VFF)补偿器102与反馈单元101级联，如图I所示。在如图I所示的级联或串联布置中，反馈单元101计算SMPS(图I未示)的占空t匕。与反馈单元分开的VFF补偿器102计算并应用VFF补偿来调节已经由反馈单元101计算的占空比。在以下文献中公开了基于图I的布置的已知前馈系统Calderone, L. Pinola, V. Varoli, Optimal feed-forward compensation for PWMDC/DC Converters with linear and quadratic conversion ratio，IEEE trans，Power Electron.，vol. 7，No. 2，PP349-355，1992 年 4 月。B. Arbetter 和 D. Marksimovic，Feedforward Pulse Width Modulators forSwitching Power Converters, IEEE trans, Power Electron.，vol. 12，no. 2，pp361_368，1997年3月。Μ.K. Kazimierczuk, A.J. Edstron, Open-Ioop peak voltage feedforwardcontrol of PWM Buck converter, IEEE trans. Circuits and Systems I，vol. 47, No. 5,pp. 740-746,2000 年 5 月。
J. -P. Sjocroos, T. Suntio, J. Kyyra, K. Rostov, Dynamic performance of buckconverter with input voltage feedforward control, European Conference on PowerElectronics and Applications，2005。图2中示出由数字控制单元控制的SMPS。SMPS 201的输入和输出电压被采样并通过模数转换器(ADC) 202和203转换为数
字样本。逻辑单元204和205被用来将样本变换为适于数字控制单元处理和噪声滤除的形式。来自逻辑单元205的输出电压样本馈给到反馈单元206，其应用如下说明的控制
律。 用于控制SMPS的占空比的典型控制定律是比例-积分-差分(PID)控制律，也称为比例-积分-微分或比例-积分-导数控制律。图3A和3B中示出了应用PID控制律的反馈单元的实现。在图3A和3B中，X(n)是误差信号，表示希望的信号和实际信号之间的差，其中这些信号是测量的电压的典型采样值。Y(n)是根据误差信号计算的校正信号。从图3Α能够看出，X (η)分裂成三个信号。将第一个信号分裂，并且分裂信号的一部分被延迟元件301延迟。从非延迟部分中减去信号的延迟部分以生成输入到放大器305的差分信号。第二个信号是比例信号，并输入到放大器306。将第三个信号输入到加法器302。将来自加法器302的输出分裂，并且分裂信号的一部分被延迟元件304延迟。信号的延迟部分输入到加法器302。非延迟部分是积分信号，并输入到放大器307。因此生成了比例、积分和差分信号。一般来说，比例信号确定对当前误差信号的反应，积分信号确定基于最近误差信号值(也就是误差信号的最近样本)之和的反应，以及差分信号确定基于误差信号改变速率的反应。比例、积分和差分信号馈给到放大器或乘法器305、306和307，被它们相应的增益KD,KP和KI加权。放大器305、306和307的输出被输入到加法器308。加法器308的输出(包括到加法器308的输入信号之和)是根据PID控制律生成的控制信号。增益ΚΡ、ΚΙ和KD确定反馈单元的响应，并且根据系统要求(例如对误差的响应时间或过冲(overshoot)的程度)来设置。图3B示出了具有简化硬件的PID电路。在图3B的PID实现中，将输入信号X (η)分裂，并且其一部分输入到放大器或乘法器311。另一部分输入到延迟元件309。将延迟元件309的输出分裂，并且其一部分输入到放大器或乘法器312。延迟元件309的输出的另一部分输入到延迟元件310。延迟元件310的输出被输入到放大器或乘法器 313。放大器或乘法器311，312和313的输出被输入到加法器314。将加法器314的输出分裂，并且分裂信号的一部分作为控制信号输出。分裂信号的另一部分馈给到延迟元件315。延迟元件315的输出被输入到加法器314。对于图3B中与图3A中的电路设计对应的电路设计，增益KA、KB和KC如下计算KA = KI+KP+KD 等式 2KB = (KP+2KD) 等式 3KC = KD等式 4在图3B的电路中，在加法器314的输出和加法器的输入具有一个反馈环。输入到加法器的反馈信号通常称为积分信号，并且它输入到加法器的积分输入。就是说具有此类对加法器的输入的反馈单元包括积分器。例如在M. A. Alexander, D. E. Heineman, K. ff. Fernald, S. K. Herrington 的名称·为Hardware efficient digital control loop architecture for a power converter 的US 7239257B1(2007年7月3日)中描述了上述PID控制律。在图3B的反馈单元中，将加法器314的输入按常数系数加权(也就是KA、KB和KC是常数；并且延迟元件315的输出按常数I加权)。因此电路实现是2阶数字滤波器的直接形式I实现的示例。反馈单元的直接形式2和转置直接设计也是可能的。因此将认识到是上述PID控制律仅仅是用于确定SMPS占空比的合适控制律的一个示例。很多备选的控制律，例如PI，PD，P，I和FIR，也是可能的。再次参考图2，VFF补偿器207根据来自逻辑单元204的输入电压样本对来自反馈单元206的输出进行调节来产生补偿的占空比控制信号。VFF补偿减少输入电压上的瞬变效应，使得SMPS 201的输出电压几乎与输入电压不相关。补偿的占空比控制信号D从数字控制单元输出，并馈给到数字脉宽调制器208。数字脉宽调制器208将占空比控制信号从数字格式转化为脉宽调制(PWM)的占空比信号。然后输出PWM信号来控制SMPS 201的开关元件。电压前馈补偿的条件如下说明。在降压转换器(buck converter)中，理想的占空比D等于乃等式5
in当输入电压从Vil^ld到Vin_new变化时，旧占空比Dtjld,应该缩放到新占空比Dnew,，这样输出电压保持不变。Vout — DoldVin_old= DnewVin_new 等式 6对新占空比Dnew求解等式6得到，Dnew = · Dold等式 7
Y in—new等式7描述的补偿条件的计算包括除法，然后是乘法。因为除法是比乘法更复杂的运算，在很多情况下优选通过查找表运算，然后附加乘法来执行除法运算，如等式8所
/Jn οDneyv = ~· Vin_old · Dold等式 8
^ in-new
US 7239257B1公开了使用查找表来执行此类除法。另外，US 7239257B1公开了当使用具有积分器的反馈单元(例如先前所述图3B中的反馈单元)时，可通过使用VinIld = vin_min的标称值来避免乘法运算之一，其中vin_min是最小测量的输入电压。然后以Vin_min将查找表进行缩放。因此补偿的占空比的计算变为
权利要求
1.一种数字控制单元(401)，可操作以计算用于控制开关模式电源的占空比的数字控制信号，所述数字控制单元包括 加法器(509)，具有至少第一输入、第二输入和输出，所述至少第一输入布置成接收取决于所述开关模式电源的输出电压的信号，所述第二输入布置成接收来自反馈电路的信号，所述输出布置成输出包括应用到所述输入的信号之和的输出信号； 输出，布置成输出用于控制所述开关模式电源的占空比的数字控制信号，其中所述数字控制信号取决于来自所述加法器(509)的输出信号； 电压前馈补偿信号生成器(501，502)，布置成计算补偿信号，所述补偿信号可操作以根据所述开关模式电源的输入电压来调节所述数字控制信号；以及 反馈电路(503，510，511)，布置在所述加法器(509)的输出与所述加法器(509)的第二输入之间，并布置成通过将所述补偿信号和取决于所述加法器(509)的输出的信号组合来计算补偿的反馈信号，以及将所述补偿的反馈信号馈给到所述加法器(509)的第二输入。
2.根据权利要求I所述的数字控制单元，其中所述反馈电路包括延迟元件(510)，所述延迟元件(510)布置成将取决于所述加法器(509)的输出的所述信号与所述计算的补偿的反馈信号的其中之一延迟，使得所述加法器(509)的第二输入接收的信号包括延迟信号。
3.根据任一先前权利要求所述的数字控制单元，其中所述反馈电路可操作以通过将所述补偿信号和取决于所述加法器(509)的输出的信号相加来计算补偿的反馈信号。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的数字控制单元，其中所述反馈电路还包括 分裂器，布置成将所述数字控制信号分裂成第一和第二信号，并将所述第一信号提供到所述输出由此进行输出；以及 组合器(511，906)，布置成生成所述补偿的反馈信号； 其中， 所述延迟元件(510)布置成将来自所述分裂器的第二信号延迟来提供延迟的数字控制信号；以及 所述组合器(511，906)布置成将所述补偿信号和所述延迟的数字控制信号组合来生成所述补偿的反馈信号。
5.根据任一先前权利要求所述的数字控制单元，其中所述电压前馈补偿信号生成器包括 延迟元件(501)，布置成生成表示所述开关模式电源的输入电压的信号的延迟版本；以及 组合器(502，901，902，903，1201)，布置成接收表示所述输入电压的信号的当前和延迟版本，和可操作以通过将所述当前版本和所述延迟版本组合来生成所述补偿信号。
6.根据权利要求5所述的数字控制单元，其中所述电压前馈补偿信号生成器的组合器(901，902，903，1201)包括减法器(901)，所述减法器(901)布置成生成代表表示所述输入电压的信号的延迟和当前版本之差的差分信号。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的数字控制单元，其中所述电压前馈补偿信号生成器还包括 第一乘法器(902)，可操作以将所述差分信号乘以增益G ;以及第二乘法器(903)，可操作以将所述第一乘法器(902)的输出乘以所述数字控制信号的延迟版本来生成补偿信号。
8.根据权利要求7所述的数字控制单元，其中所述第一乘法器(902)的增益G是常数，并被确定为
9.根据权利要求5或权利要求6所述的数字控制单元，其中所述电压前馈补偿信号生成器还包括 无乘法器的移位运算单元(1201)，可操作以将增益K应用到所述差分信号来生成所述补偿信号。
10.根据权利要求9所述的数字控制单元，其中所述无乘法器的移位运算单元(1201)的增益K是常数，并被确定为
11.根据权利要求9或10所述的数字控制单元，其中所述无乘法器的移位运算单元(1201)可操作以使用增益K的规范符号数字码来执行移位、加法和减法运算。
12.根据权利要求I或权利要求2所述的数字控制单元，其中所述反馈电路可操作以通过将所述补偿信号乘以取决于所述加法器(509)的输出的信号来计算所述补偿的反馈信号，以及其中所述电压前馈补偿信号生成器包括 延迟元件(501)，布置成生成表示所述开关模式电源的输入电压的信号的延迟版本；减法器(901)，布置成接收表示所述输入电压的信号的当前和延迟版本，并可操作以生成表示其之差的差分信号； 乘法器(902)，可操作以将所述差分信号乘以增益G ; 常数生成器(1102)，可操作以输出常数；以及 VFF加法器(1101)，布置成接收来自所述乘法器(902)和所述常数生成器(1102)的输出并可操作以输出包括其之和的信号； 其中 从所述VFF加法器(1101)输出的信号是所述补偿信号；以及 所述乘法器(902)的增益G是常数并确定为
13.根据权利要求12所述的数字控制单元，其中所述反馈电路还包括 分裂器，布置成将所述数字控制信号分裂成第一和第二信号，并将所述第一信号提供到所述输出由此进行输出；以及 组合器(511)，布置成生成所述补偿的反馈信号； 其中 所述延迟元件(510)布置成将来自所述分裂器的第二信号延迟来提供延迟的数字控制信号；以及 所述组合器(511)布置成将所述补偿信号乘以所述延迟的数字控制信号来生成所述补偿的反馈信号。
14.根据任一先前权利要求所述的数字控制单元，还包括 瞬变检测器(701,904,905,1501，1502，1601，1602，1603，1701，1702，1703，1704，1705，1706)，可操作以确定所述开关模式电源的输入电压上是否已发生瞬变；以及 开关(702)，可操作以在第一状态和第二状态之间切换所述反馈电路，在所述第一状态中，输入到所述加法器(509)的第二输入的信号取决于根据所述开关模式电源的当前输入电压计算的补偿信号和取决于所述加法器(509)的输出的信号的组合，以及在所述第二状态中，输入到所述加法器(509)的第二输入的信号取决于所述加法器(509)的输出，而不取决于根据所述当前输入电压计算的补偿信号； 其中所述瞬变检测器布置成根据瞬变检测的结果来控制所述开关(702)，由此使得当所述输入电压上检测到瞬变时所述开关将所述反馈电路切换到所述第一状态，以及当所述输入电压上没有检测到瞬变时切换到所述第二状态。
15.根据权利要求14所述的数字控制单元，其中所述开关(702)布置成接收所述补偿的反馈信号和取决于所述加法器(509)的输出的信号，以及还布置成在所述第一状态期间将所述补偿的反馈信号传送到所述加法器(509)的第二输入，以及在所述第二状态期间将取决于所述加法器(509)的输出的信号传送到所述加法器(509)的第二输入。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的数字控制单元，其中所述瞬变检测器包括比较器(905)，所述比较器(905)布置成接收代表表示所述开关模式电源的输入电压的信号的当前和延迟版本之差的差分信号，以及可操作以将所述差分信号与阈值比较来确定是否已发生瞬变。
17.根据权利要求16所述的数字控制单元，其中所述阈值是零。
18.根据权利要求14或权利要求15所述的数字控制单元，其中 所述瞬变检测器布置成接收代表表示所述开关模式电源的输入电压的信号的当前和延迟版本之差的差分信号；以及所述瞬变检测器包括 幅值确定单元(1601)，可操作以确定所述差分信号的幅值；以及比较器(1603)，可操作以将所确定的差分信号的幅值与阈值相比较，并可操作以根据比较结果确定是否已发生瞬变。
19.根据权利要求18所述的数字控制单元，其中所述阈值设置为用于将所述输入电压数字化的模数转换器的量化步长的大小的两倍。
20.根据权利要求14或权利要求15所述的数字控制单元，其中 所述瞬变检测器布置成接收代表表示所述开关模式电源的输入电压的信号的当前和延迟版本之差的差分信号； 以及所述瞬变检测器包括 幅值确定单元(1501)，可操作以确定所述差分信号的幅值； 第一比较器(1701)，可操作以将所确定的差分信号的幅值与阈值相比较来检测所确定的差分信号的幅值是否等于所述阈值，并根据所述检测输出信号； 延迟元件(1704)，布置成接收所述第一比较器的输出并输出所接收信号的延迟版本；第一逻辑门(1705)，布置成接收所述第一比较器(1701)和所述延迟元件(1704)的输出，以及如果所接收的两个信号都指示所确定的差分信号的幅值等于所述阈值电平，则输出高信号； 第二比较器(1702)，可操作以比较所确定的差分信号的幅值与所述阈值电平来检测所确定的差分信号的幅值是否大于所述阈值，以及如果所确定的差分信号的幅值高于所述阈值电平，则输出高信号； 第二逻辑门(1706)，布置成接收所述第一逻辑门(1705)和所述第二比较器(1702)的输出，以及如果所接收的信号的其中之一是高信号，则输出指示已经发生瞬变的信号。
21.根据权利要求20所述的数字控制单元，其中所述阈值设置为用于将所述输入电压数字化的模数特换器的量化步长的大小。
22.根据任一先前权利要求所述的数字控制单元，其中取决于所述开关模式电源的输出电压的信号是表示所述开关模式电源的测量的输入电压和希望的输入电压之差的误差信号。
23.根据任一先前权利要求所述的数字控制单元，其中所述输出包括硬限幅器(503)，所述硬限幅器(503)可操作以将所述数字控制信号限制在上限和下限内。
24.一种开关模式电源，具有根据任一先前权利要求所述的数字控制单元。
25.一种计算用于控制开关模式电源的占空比的数字控制信号的方法，所述方法包括 测量(602)所述开关模式电源的输入电压和输出电压； 将取决于所述开关模式电源的输出电压的第一输入信号与包括先前计算的补偿的反馈信号的第二信号相加(603)来生成包括所述第一和第二信号之和的相加信号； 输出(604)数字控制信号到所述开关模式电源来控制其占空比，使得所述数字控制信号取决于所述相加信号； 生成(605)补偿信号，所述补偿信号布置成根据所述开关模式电源的输入电压来调节后续数字控制信号；以及通过将所述补偿信号和取决于所述相加信号的信号组合来计算(606)补偿的反馈信号。
26.根据权利要求25所述的方法还包括 对取决于所述相加信号的信号和所述补偿的反馈信号其中之一进行延迟，使得与所述第一信号相加的所述第二信号是延迟信号。
27.根据权利要求25或权利要求26所述的方法，其中计算(606)补偿的反馈信号的过程包括 将所述补偿信号和取决于所述相加信号的信号相加。
28.根据权利要求25-27任一项所述的方法，其中生成(605)补偿信号的过程包括 延迟取决于所述开关模式电源的输入电压的第二输入信号；以及 将所述第二输入信号的当前和延迟版本组合来生成所述补偿信号。
29.根据权利要求28所述的方法，其中将所述第二输入信号的当前和延迟版本组合的过程包括通过将所述第二输入信号的延迟版本减去所述第二输入信号的当前版本来生成差分信号。
30.根据权利要求29所述的方法，其中生成补偿信号￠05)的过程还包括 以增益G将所述差分信号放大；以及 将所述放大的差分信号乘以所述控制信号的延迟版本。
31.根据权利要求30所述的方法，其中所述增益G是常数，并被确定为
32.根据权利要求29所述的方法，其中生成补偿信号的过程还包括 通过使用无乘法器的移位运算以增益K将所述差分信号放大来生成补偿信号。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述增益K是常数，并被确定为
34.根据权利要求32或权利要求33所述的方法，其中所述无乘法器的移位运算包括使用所述增益K的规范符号数字码来执行移位、加法和减法运算。
35.根据权利要求25或权利要求26所述的方法，其中计算(606)补偿的反馈信号的过程包括 将所述补偿信号乘以取决于所述相加信号的信号； 其中， 生成(605)补偿信号的过程包括 对取决于所述开关模式电源的输入电压的信号进行延迟； 通过从表示所述输入电压的信号的延迟版本中减去其当前版本来生成差分信号； 以增益G将所述差分信号放大；以及 将所述放大的差分信号与常数相加来生成所述补偿信号； 其中， 所述增益G是常数并被确定为
36.根据权利要求25到35任一项所述的方法还包括 确定(803)所述开关模式电源的输入电压上是否已发生瞬变； 在第一状态和第二状态之间切换，在所述第一状态中，所述先前计算的补偿的反馈信号取决于根据所述开关模式电源的当前输入电压生成的补偿信号与取决于所述相加信号的信号的组合，以及在所述第二状态中，所述先前计算的补偿的反馈信号取决于所述相加信号，而不取决于根据所述开关模式电源的当前输入电压生成的补偿信号；以及 其中所述第一和第二状态之间的切换是根据瞬变确定的结果来控制的，使得当检测到瞬变时，在所述第一状态中计算所述数字控制信号，以及当没有检测到瞬变时在所述第二状态中计算所述数字控制信号。
37.根据权利要求36所述的方法，其中检测瞬变(803)的过程包括 接收差分信号，所述差分信号表示取决于所述开关模式电源的输入电压的第二输入信号和所述第二输入信号的延迟版本之间的差； 确定所述差分信号的幅值； 将所确定的所述差分信号的幅值与阈值相比较；以及 根据比较结果确定是否已发生瞬变。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述阈值设置为用于数字化测量输入电压的模数转换器的量化步长的大小的两倍。
39.根据权利要求36所述的方法，其中检测瞬变(803)的过程包括 接收差分信号，所述差分信号表示取决于所述开关模式电源的输入电压的信号和其延迟版本之间的差； 确定所述差分信号的幅值； 将所确定的差分信号的幅值与阈值相比较，检测所确定的差分信号的幅值是否等于阈值，并根据检测来输出信号； 将根据检测输出的所述信号与其延迟版本相比较，并根据比较结果来输出第一瞬变检测信号； 将所确定的差分信号的幅值与所述阈值相比较，检测所确定的差分信号的幅值是否大于所述阈值，并根据检测来输出第二瞬变检测信号；以及 如果所述第一或第二瞬变检测信号其中之一指示瞬变已经发生，则输出指示瞬变已发生的信号。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述阈值设置为用于将测量输入电压数字化的模数转换器的量化步长的大小。
全文摘要
为了计算用于控制开关模式电源的占空比的数字控制信号，将电压前馈补偿器集成到反馈单元中。具体来说，控制单元具有加法器，该加法器具有至少第一输入、第二输入和输出，所述至少第一输入布置成接收取决于输出电压的信号。第二输入布置成从反馈电路接收信号，和输出布置输出包括应用于这些输入的信号之和的输出信号；输出布置成输出用于控制占空比的数字控制信号，其中所述数字控制信号取决于来自加法器的输出信号；电压前馈补偿信号生成器布置成计算补偿信号，该补偿信号可操作以根据输入电压调节数字控制信号；以及反馈电路布置在加法器的输出与加法器的第二输入之间，并且布置成通过将补偿信号和取决于加法器的输出的信号组合来计算补偿的反馈信号，以及将补偿的反馈信号馈给到加法器的第二输入。
文档编号H02M3/157GK102884719SQ201080064825
公开日2013年1月16日 申请日期2010年2月26日 优先权日2010年2月26日
发明者M·卡尔森, F·瓦莱多夫 申请人:瑞典爱立信有限公司