具有使用脉冲调制与解调的前馈控制的电源的制作方法

本发明涉及具有使用脉冲调制与解调的前馈控制的电源以及用于控制电源的方法。

背景技术：

本部分提供与本发明有关的背景信息，该背景信息不一定为现有技术。

许多隔离的电源经历ac输入动态响应问题、输出动态加载问题、线频率输出电压纹波问题等。前馈方法可以与电源的初级侧与次级侧之间的模拟部件一起使用以减少电压纹波问题，但是由于部件参数的范围而可能降低准确度。在ac/dc电源中更频繁地使用数字控制器。在一些电源中，一个数字控制器位于电源的初级侧，以控制输入内务处理、功率因数校正(powerfactorcorrection，pfc)电路操作等。另一个数字控制器可以位于电源的隔离的次级侧以使用反馈控制输出内务处理、dc/dc转换操作等。在初级侧数字控制器与次级侧数字控制器之间可以存在通信，但是由于数字控制器的资源限制，该通信可能不一致。

技术实现要素：

本部分提供本发明的概括性总结，且不是本发明的全部范围或本发明的所有特征的全面公开。

根据本发明的一个方面，一种隔离的ac-dc电源包括：用于接收ac电压输入的输入端子；用于提供dc电压输出的输出端子；联接到所述输入端子的pfc转换器；dc-dc转换器，所述dc-dc转换器联接在所述pfc转换器与所述输出端子之间；以及控制器，所述控制器联接到所述dc-dc转换器且配置成控制所述dc-dc转换器的切换操作。所述电源还包括脉冲调制器，所述脉冲调制器联接到所述pfc转换器的输出端以接收表示在所述pfc转换器的所述输出端处的电压纹波的信号。所述脉冲调制器配置成基于所述电压纹波的幅度调制脉冲信号。所述电源还包括脉冲解调器，所述脉冲解调器联接到所述脉冲调制器以接收已调制的脉冲信号。所述脉冲解调器配置成解调所述已调制的脉冲信号且将已解调的信号提供给所述控制器以调节所述dc-dc转换器的切换操作。

根据本发明的另一个方面，公开了一种操作隔离的ac-dc电源的方法。所述电源包括联接到dc-dc转换器的pfc转换器、联接到所述pfc转换器的输出端的脉冲调制器、和联接到所述脉冲调制器的脉冲解调器。所述方法包括：在所述脉冲调制器处接收所述pfc电路的所述输出端处的电压的电压纹波、在所述脉冲调制器处基于所述电压纹波的幅度调制脉冲信号、以及将已调制的脉冲信号传输到所述脉冲解调器。所述方法还包括：在所述脉冲解调器处将所述已调制的脉冲信号解调为表示所述电压纹波的已解调的信号、以及基于所述已解调的信号控制所述dc-dc转换器的切换操作。

从本文中提供的描述，其它方面和应用领域将变得明显。应当理解，本发明的各个方面可以单独地或与一个或多个其它方面组合实现。还应当理解，本文中的描述和具体示例意图仅用于说明性目的且不意图限制本发明的范围。

附图说明

本文中所描述的附图仅用于所选实施方式而非所有可能的实现方式的说明性目的，且不意图限制本发明的范围。

图1为根据本发明的一个示例性实施方式的示例性的隔离的ac-dc电源的框图。

图2为根据本发明的另一示例性实施方式的另一示例性的隔离的ac-dc电源的框图。

图3为根据本发明的又一示例性实施方式的示例性的隔离的ac-dc电源的传递函数的框图。

贯穿附图中的多个视图，对应的附图标记指示对应的特征。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述示例性实施方式。

提供示例性实施方式，使得本发明将是透彻的且将向本领域的技术人员全面传达范围。提出多个具体细节，诸如具体部件、设备、和方法的示例，以提供对本发明的实施方式的透彻理解。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，具体细节不必被采用，示例性实施方式可以以许多不同形式来体现，以及具体细节和示例性实施方式二者均不应当被理解为限制本发明的范围。在一些示例性实施方式中，没有详细地描述公知的过程、公知的设备结构、和公知的技术。

本文中所使用的术语仅出于描述特定示例性实施方式的目的且不意图进行限制。本文中所使用的单数形式“一”和“该”可以意图也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括”、“包含”和“具有”是包含性的且因此指所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。本文中所描述的方法步骤、过程和操作不应被理解为必须要求它们以所讨论或所示出的特定次序来执行，除非具体被认定为执行次序。也将理解，可以采用附加或替选步骤。

尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或区段，但是这些元件、部件、区域、层和/或区段不应当受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或区段与另一个区域、层或区段区分。诸如“第一”、“第二”的术语和其它数字术语在本文中使用时不暗示顺序或次序，除非上下文有明确指示。因此，下文讨论的第一元件、部件、区域、层或区段可以被称为第二元件、部件、区域、层或区段，而不脱离示例性实施方式的教导。

为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等，来描述如图中所示的一个元件或特征与其它的一个或多个元件或特征的关系。除了图中示出的方位之外，空间相对术语可以意图涵盖设备在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的设备被翻转，则描述为在其它元件或特征的“下方”或“下面”的元件将被取向为在该其它元件或特征的“上方”。因而，示例性术语“下方”可以涵盖上方和下方两种方位。该设备可以被另外地取向(旋转90度或以其它方位旋转)且本文中所使用的空间相对描述符被相应地理解。

根据本发明的一个示例性实施方式的隔离的ac-dc电源在图1中示出且总体用附图标记100来指示。如图1所示，隔离的ac-dc电源100包括用于从ac电源接收交流(alternatingcurrent，ac)电压输入的输入端子102和用于向负载提供直流(directcurrent，dc)电压输出的输出端子104。功率因数校正(pfc)转换器106联接到输入端子102。dc-dc转换器108联接在pfc转换器106与输出端子104之间。控制器110联接到dc-dc转换器108且配置成控制dc-dc转换器的切换操作。

pfc转换器106和dc-dc转换器108适用于将在输入端子102处接收的ac输入电压转换为在输出端子104处提供的输出dc电压。可以在电源100中使用任何合适的ac-dc转换器拓扑，包括llc转换器、反激转换器、全桥转换器等。

ac-dc电源100包括在电源的初级侧与电源的次级侧之间的隔离。例如，一个或多个变压器等可以联接在输入端子102与输出端子104之间以提供输入端子与输出端子之间的电隔离。

电源100包括联接到pfc转换器106的输出端的脉冲调制器112。脉冲调制器112接收表示在pfc转换器106的输出端处的电压纹波(例如，线频率电压纹波)的信号。脉冲调制器112配置成基于电压纹波的幅度调制脉冲信号。

电源100还包括脉冲解调器114，该脉冲解调器114联接到脉冲调制器112以接收已调制的脉冲信号。脉冲解调器114配置成解调该已调制的脉冲信号且将解调信号提供到控制器110以调节dc-dc转换器108的切换操作。例如，控制器110可以基于已解调的脉冲信号调节dc-dc转换器108的切换操作以改善电源100的性能(例如，通过减小输出电压纹波、通过改善输入动态响应、通过改善输出动态响应等)。

因此，电源100使用在电源100的初级侧与次级侧之间的脉冲调制与解调来提供前馈控制。该前馈控制可以改善电源100的性能(例如，通过减小电源100的输出端子104处的电压纹波等)。

脉冲调制器112可以为能够调制数字脉冲信号的任何合适的微处理器单元(microprocessorunit，mcu)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)等。例如，许多电源包括在电源的初级侧的微处理器，用于控制pfc转换器的切换、控制输入电压功能等。在一些实施方式中，脉冲调制器112可以被包括在用于控制pfc转换器106的切换的初级侧微处理器中，脉冲调制器可以为位于电源100的初级侧的独立式微处理器等。

脉冲调制器112根据电压纹波幅度生成已调制的脉冲信号。例如，脉冲调制器112可以使用脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)、脉冲频率调制(pulsefrequencymodulation，pfm)等来基于电压纹波幅度调制脉冲信号。在一些实施方式中，脉冲调制器112关于电压纹波的幅度线性地调制脉冲信号。

类似于脉冲调制器112，脉冲解调器114可以为能够解调已调制的脉冲信号的任何合适的mcu、dsp等。例如，许多电源包括在电源的次级侧的微处理器，用于控制dc-dc转换器的切换、控制输出电压功能、接收输出电压的反馈等。在一些实施方式中，脉冲解调器114可以被包括在用于控制dc-dc转换器108的切换的次级侧微处理器中，脉冲解调器可以为位于电源100的次级侧的独立式微处理器等。尽管图1示出了与控制器110分离的脉冲解调器114，但是在其它实施方式中，脉冲解调器114可以被并入在控制器110中。

脉冲解调器114从脉冲调制器112接收已调制的脉冲信号且解调该已调制的脉冲信号。例如，脉冲解调器114可以将已调制的脉冲信号解调为一系列离散数字信号，该系列离散数字信号具有类似于在pfc转换器106的输出端处的电压纹波(例如，线频率电压纹波)的轮廓。将来自脉冲解调器114的输出信号提供给dc-dc转换器108以减小dc-dc转换器的输出端处的电压纹波。例如，可以将来自脉冲解调器114的输出信号提供给控制器110且该控制器可以调节dc-dc转换器108的切换操作。例如，控制器110可以基于来自脉冲解调器114的输出信号调节dc-dc转换器108的切换操作，以减小dc-dc转换器的输出端处的电压纹波。

使用电源100的前馈脉冲调制与解调，可以将电压纹波减小任何合适的量。例如，从pfc转换器106的输出端到dc-dc转换器108的输出端，可以将电压纹波减小大约50％，可以将电压纹波减小到大约零伏特等。

图2示出了根据本发明的另一示例性实施方式的隔离的ac-dc电源200。如图2所示，隔离的ac-dc电源200包括用于向负载提供dc电压输出(vout)的输出端子204。dc-dc转换器208联接在pfc转换器206与输出端子204之间。控制器210联接到dc-dc转换器208且配置成控制dc-dc转换器的切换操作。

电源200包括联接到pfc转换器206的输出端的脉冲调制器212。脉冲调制器212接收表示在pfc转换器206的输出端处的电压纹波(例如，线频率电压纹波、输入电压纹波等)的信号。脉冲调制器212配置成基于电压纹波的幅度调制脉冲信号。

电源200包括脉冲解调器214，该脉冲解调器214联接到脉冲调制器212以接收已调制的脉冲信号。脉冲解调器214配置成解调该已调制的脉冲信号且将已解调的信号提供到控制器210以减小dc-dc转换器208的输出端处的电压纹波。

因此，类似于图1的电源100，图2的电源200使用脉冲调制与解调提供前馈控制以减小电源200的输出端子204处的电压纹波。

电源200还包括联接在pfc转换器206的输出端与脉冲调制器212之间的滤波器218。滤波器218适用于对pfc转换器206的输出端处的电压进行滤波且将表示在pfc转换器的输出端处的电压纹波的电压纹波信号提供给脉冲调制器212。这允许脉冲调制器212基于在pfc转换器输出端处的电压纹波的幅度调制脉冲信号。

尽管滤波器218被示出为带通滤波器，但是应当清楚，滤波器218可以包括能够对pfc转换器206的输出端处的电压纹波进行滤波的任何合适的滤波器。例如，滤波器218可以使电压纹波频率通过该滤波器，同时拒绝电压纹波频率带宽之外的频率。滤波器218可以包括单阶滤波、二阶滤波、更高阶滤波等。

如图2所示，脉冲调制器212可以包括模拟-数字转换器(analog-to-digitalconverter，adc)。adc转换器可以从滤波器218接收模拟电压纹波信号且将该模拟电压纹波信号转换为可被脉冲调制器212已调制的数字信号。

电源200还包括隔离器216。隔离器216联接在脉冲调制器212与脉冲解调器214之间以将脉冲调制器与脉冲解调器隔离。因此，隔离器216将来自脉冲调制器212的已调制的脉冲信号传输到脉冲解调器214，同时保持电源200的初级侧与次级侧之间的隔离。

图2示出作为光耦合器或变压器的隔离器216。然而，应当清楚，隔离器216可以为能够传输脉冲调制信号同时保持脉冲调制器212与脉冲解调器214之间的隔离的任何合适的隔离器(例如，变压器等)。

因此，电源200提供前馈控制方法，该方法使用调制与解调来减小电压纹波并且同时保持电源200的初级侧与次级侧之间的隔离。在本示例性实施方式中，脉冲调制器212的adc转换器的输入端从滤波器218接收表示在pfc转换器206的输出端处的电压纹波的电压纹波信号。脉冲调制器212基于纹波电压的幅度，使用脉冲宽度调制、脉冲频率调制等调制脉冲信号。然后借助隔离器216将已调制的脉冲信号传输到脉冲解调器214。脉冲解调器214将脉冲信号解调为一系列离散数字信号，该系列离散数字信号具有类似于电压纹波的轮廓。将已解调的信号提供给dc-dc转换器208以减小电源200的输出端处的电压纹波。

再次参照图2，电源200包括联接到输出端子204的传感器220。该传感器220感测输出端子204处的输出电压且将感测的输出电压提供给控制器210，作为用于控制输出电压的反馈。

电源200还包括电压基准222。电压基准222提供电源200的预期输出电压。比例-积分-微分控制器(pid控制器)226联接到电压基准222和传感器220以接收感测的输出电压和电压基准值。pid控制器226然后将pid控制的信号提供给误差比较器224。

误差比较器224可以将正反馈、负反馈等提供给来自pid控制器226的信号(即，基于来自传感器220的感测的输出电压和电压基准222的pid控制信号)以确定输出电压的误差值。将该反馈误差值提供给电压控制器210以控制dc-dc转换器208的切换操作。电压控制器210基于反馈误差值操作dc-dc转换器208以在输出端子204处保持预期输出电压。尽管图2示出了联接在传感器220与电压基准222之间的pid控制器226，但是其它实施方式可以包括直接联接到误差比较器224的传感器220与电压基准222(例如，无中介pid控制器226)。

误差比较器224还可以从脉冲解调器214接收已解调的脉冲信号。误差比较器224可以将已解调的脉冲信号(例如，表示在pfc转换器的输出端处的电压纹波的前馈信号)与提供给控制器210的感测的输出电压和电压基准222(例如，输出电压的反馈信号)组合。因此，控制器210可以操作dc-dc转换器208以既将输出电压保持在预期等级，又减小输出端处的电压纹波。

尽管图2将控制器210、脉冲解调器214、输出电压传感器220、电压基准222、误差比较器224和pid控制器226示出为分离的模块，但是应当清楚，这些模块中的任何模块或所有模块可以被组合为一个或多个mcu、dsp等。例如，控制器210可以包括输出电压传感器、脉冲解调器、基准电压输入端、误差比较器、pid控制器等。

本文中所描述的控制器、调制器、解调器等中的任一者可以使用任何合适的软件和/或硬件配置来配置。例如，mcu、dsp等可以包括适合于引起mcu、dsp等执行本文中所描述的功能的任何合适的电路、逻辑门、存储在存储器中的计算机可执行指令等。

图3示出了传递函数300的框图，该传递函数300描述了输入电压vin、基准电压vref与输出电压vout之间的关系。在传递函数300中，vout(s)＝gvref(s)*vref(s)+gvin(s)*vin(s)，其中：

gvref(s)为vref-输出的传递函数、gvin(s)为vin-输出的传递函数、g1和g2为电压控制器传递函数、g3为光耦合器传递函数、g4为压控振荡器传递函数、g5为切换频率-输出的传递函数、g6为在无反馈和前馈控制的情况下的输入电压-输出的传递函数、以及g7为输入电压-前馈信号的传递函数。

如果gvin_nff被限定为在无前馈信号(即，g7＝0)的情况下的传递函数，则结果为：

这证明反馈控制如何进一步提供电压纹波减小。传递函数ge被限定为评估由前馈信号提供的扩展增益，从而ge(s)＝gvin(s)/gvin_nff(s)。

ge描述在添加有前馈信号的情况下的扩展增益。为了干扰抑制，期望ge的负增益(以db为单位)。如果用上述等式替换gvin(s)和gvin_nff，则结果为：

理想抑制为ge(s)＝0。在g7等于g7_ideal的条件下，g7_ideal＝g6/(g4*g5)。

尽管可以使用任何合适的滤波器传递函数，但是如果滤波器传递函数被选择为：

其中，ωn为固有振荡频率、ξ为阻尼系数、以及ke为滤波器的系数，则结果为：

以及ge增益被限定为：

扩展增益取决于滤波特性ω/ωn、阻尼系数ξ、和(1-(ke/g7_ideal))的绝对值。最小值位于ωn，且最小增益等于abs(1-(ke/g7_ideal))中的ke的误差。当ke＝g7_ideal时，该误差等于0且电压纹波被消除。

偏离ωn的噪声频率可以增大ge的增益。如果频率ω接近0或正无穷大，则扩展增益可以接近1，这提供既不影响dc操作点也不引入高频噪声的能力。

应当清楚，传递函数300为示例性实施方式的传递函数，但是其它示例性实施方式的电源可以使用其它合适的传递函数。

在另一实施方式中，公开了操作ac-dc电源的方法。该电源包括联接到dc-dc转换器的pfc转换器、联接到pfc转换器的输出端的脉冲调制器、和联接到脉冲调制器的脉冲解调器。该方法总体包括：在脉冲调制器处接收pfc电路的输出端处的电压的电压纹波，在脉冲调制器处基于电压纹波的幅度调制脉冲信号，以及将已调制的脉冲信号传输到脉冲解调器。该方法还包括：在脉冲解调器处将已调制的脉冲信号解调为表示电压纹波的解调信号，以及基于该已解调的信号控制dc-dc转换器的切换操作以减小dc-dc转换器的输出端处的电压纹波。

传输已调制的脉冲可以包括借助隔离器传输已调制的脉冲信号。调制脉冲信号可以包括调制该脉冲信号的宽度、调制该脉冲信号的频率等。

电源可以包括联接在pfc电路与脉冲调制器之间的滤波器，以及该方法可以包括对pfc电路的输出端处的电压进行滤波以将表示在pfc的输出端处的电压纹波的信号提供给脉冲调制器。

该方法可以包括：在调制脉冲信号之前，在脉冲调制器处将电压纹波从模拟信号转换为数字信号。

该方法可以包括：感测dc-dc转换器的输出端处的电压以及将感测到的电压与电压基准相比较以限定反馈信号。控制dc-dc转换器的切换操作可以包括：基于已解调的信号和反馈信号控制dc-dc转换器的切换操作以减小dc-dc转换器的输出端处的电压纹波。

本文中所公开的示例性实施方式和方面中的任一者可以以与本文中所公开的任何其它示例性实施方式和方面的任何合适组合的形式来使用，而不脱离本发明的范围。例如，本文中所描述的ac-dc电源可以实施其它控制方法、本文中所描述的控制方法可以被实施在其它ac-dc电源中等，而不脱离本发明的范围。

本发明的示例性实施方式和方面可以提供如下优势中的任一优势：减小电源的输出端处的电压纹波(例如，线频率电压纹波)、改善输入动态、改善电源的输出动态响应、降低失真、提高对噪声的抵抗力、在电源的初级侧与次级侧之间提供隔离、提供数字脉冲宽度调制与解调、与当前的mcu和dsp控制的兼容性、容易利用当前dsp设计来实现、降低成本等。

出于说明和描述的目的已经提供了实施方式的如上描述。不意图是详尽的或限制本发明。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在可适用的情况下是可互换的以及可以被用在所选择的实施方式中，即使没有具体示出或描述。特定实施方式的各个元件或特征也可以以许多方式变化。这些变化不应当被视为背离本发明，并且所有这些修改意图被包括在本发明的范围内。