专利名称：用于开关式电源的数字控制系统和方法
技术领域：
本发明涉及电源电路，并更具体地涉及用于开关式电源电路的数字控制系统和方法。
背景技术：
在本领域中，已知开关式电源是用于把可利用的直流(DC)或交流(AC)电平电压变换为另一DC电平电压。降压变换器是一种特定类型的开关式电源，它通过切换流入耦合到负载的输出电感器的电流而有选择性地在输出电感器中储存能量，从而向负载提供经调节的DC输出电压。它包括两种一般由MOSFET晶体管形成的电源开关。与负载并联耦合的滤波电容器减小输出电流的波动。脉宽调制(PWM)控制电路用于以交变方式控制电源开关的选通，以控制输出电感器中电流的流动。PWM控制电路使用在反馈环路中传递的反映输出电压和/或电流电平的信号，响应变化的负载条件而调节作用到电源开关上的占空因数。
常规的PWM控制电路用模拟电路元件，如运算放大器、比较器和无源元件如用于环路补偿的电阻器和电容器，以及一些数字电路元件如逻辑门和触发器而构成。但是，希望使用完全的数字电路来取代模拟电路元件，因为数字电路占用更小的物理空间，消耗更少的功率并允许实现可编程序性特征或自适应控制技术。常规的数字控制电路包括模拟-数字变换器(ADC)，ADC把代表受控信号(如输出电压(Vo))和基准之差的误差信号变换为具有n位的数字信号。数字控制电路使用数字误差信号来控制数字脉度调制器，该调制器向具有占空因数的电源开关提供控制信号，以使电源的输出值追随基准。为了使PWM控制电路的复杂性较低，希望使数字信号的位数保持为较小的数量。然而，同时，数字信号的位数需要足够高，以提供足够好的分辨率来保证对输出值的精确控制。而且，ADC需要非常快地响应变化的负载条件。目前的微处理器表现出提供高达20A/μs的电流转换速率，并希望将来的微处理器达到大于350A/μs的转换速率，由此要求电源有极快的响应。
由于单级(即快速)ADC拓扑具有非常低的等待时间(即，特定采样在输入和输出之间的总延迟)，因此在电源控制电路应用中利用它。如果标准快速ADC器件用于以所需分辨率(如5mV)来量化调节器输出电压的全部范围，该器件就需要大量消耗不希望有的功率的比较器。在正常操作时，调节器的输出电压Vo保持在小窗口内，这意味着ADC不必在整个范围内具有高分辨率。相应地，“窗口”ADC拓扑允许在基准电压(Vref)追随的相对较小的电压范围内有高分辨率。由于量化窗口追随基准电压Vref，因此，ADC产生的信号是电压误差信号。因而，窗口ADC提供ADC和误差信号放大器的双重功能，这导致进一步减少元件和相关的功率消耗。
尽管有这些优点，但窗口ADC拓扑的缺点是该器件会因使窗口范围被超出的瞬间负载条件而进入饱和状态。例如，4-位窗口ADC具有大约5mV的最低有效位(LSB)分辨率。这意味着低至±40mV的输出电压误差推动ADC进入饱和状态。即使实际误差甚至会变得更大，ADC也接着继续反映相同的误差信号(即最大值)，这称作数字控制系统的“终结”条件。在此终结条件下反馈环路的反应是难以预测的，因为如没有关于误差大小的准确信息，数字控制系统就不再作为线性系统。此性能特别有害，因为它会因过电流和/或过电压而损坏负载，并且还损坏电源本身。
因而，提供一种用于克服现有技术这些和其它缺点的对开关式电源进行数字控制的系统和方法是有利的。更具体地，提供一种具有窗口ADC拓扑的对开关式电源进行数字控制的系统和方法是有利的，其中，所述窗口ADC拓扑在因瞬间负载条件而引起的ADC饱和过程中可保持准确的电压调节。
发明内容
本发明提供一种具有数字控制系统的开关式电源。更具体地，所述电源包括至少一个电源开关，该电源开关适合在电源的输入和输出端之间传输功率；以及数字控制器，该控制器适于响应电源的输出测量而控制至少一个电源开关的操作。
在本发明的一个实施例中，数字控制器包括模拟-数字变换器，该器件提供代表输出测量和基准值之差的数字误差信号；数字滤波器，该器件基于先前误差信号和先前控制输出的总和而提供数字控制输出；误差控制器，该器件适合在误差条件下修改数字滤波器的操作；以及，数字脉宽调制器，该器件向电源开关提供控制信号，该控制信号具有与数字控制输出相应的脉冲宽度。模拟-数字变换器进一步包括窗口快速模拟-数字变换器，其中，窗口快速模拟-数字变换器提供反映模拟-数字变换器的负饱和的HIGH(高)信号以及反映模拟-数字变换器的正饱和的LOW(低)信号。数字滤波器进一步包括提供以下转移函数G(z)的无限脉冲响应滤波器G(z)=PWM(z)VEd(z)=C0+C1·z-1C2·z-2+...+Cn·z-n1-B1·z-1-B2·z-2-...-Bn·z-n]]>这里，PWM(z)是数字控制输出，VEd(z)是误差信号，C0…Cn是输入侧系数，而B1…Bn是输出侧系数。数字滤波器进一步包括范围限制器，如果达到范围的上限或下限，范围限制器就适于限幅数字控制输出。如果达到范围的上限或下限，范围限制器就向误差控制器提供限制信号。误差控制器在误差条件下向数字脉宽调制器提供替代的数字控制输出，或者在误差条件下用预定值取代至少一个先前的误差信号和/或至少一个先前的控制输出。
在本发明的另一实施例中，提供一种用于控制至少有一个电源开关的电源的方法，该电源开关适合在电源的输入和输出端之间传输功率。所述方法包括以下步骤接收电源的输出测量；对输出测量进行采样，以提供代表输出测量和基准值之差的数字误差信号；基于先前误差信号和先前控制输出的总和而对数字误差信号进行滤波，以提供数字控制输出；在误差条件下修改滤波步骤的操作；以及向至少一个电源开关提供控制信号，该控制信号具有与数字控制输出相应的脉冲宽度。采样步骤进一步包括提供反映负饱和状态的HIGH信号以及反映正饱和状态的LOW信号。滤波步骤进一步包括使用具有上述转移函数G(z)的无限脉冲响应滤波器对数字误差信号进行滤波。
通过以下优选实施例的详细描述，本领域中技术人员将对用于对开关式电源进行数字控制的系统和方法有更完整的理解，并可实现本发明其它的优点和目的。首先简要描述后面作为参考的附图。
图1示出具有数字控制电路的开关式电源；图2示出提供高和低饱和信号的窗口快速ADC；以及图3示出具有无限脉冲响应滤波器和误差控制器的数字控制器。
具体实施例方式
本发明提供一种对开关式电源进行数字控制的方法。更具体地，本发明提供一种对具有窗口ADC拓扑的开关式电源进行数字控制的方法，其中，窗口ADC拓扑在因瞬间负载条件而引起的ADC饱和过程中维持准确的调节。在以下详细描述中，相同的元件编号用于描述在一个或多个附图中示出的相同元件。
图1示出根据本发明实施例的具有数字控制电路的典型开关式电源10。电源10包括降压变换器拓扑，用于把输入DC电压Vin变换为作用到电阻性负载20(Rload)上的输出DC电压Vo。电源10包括一对由MOSFET器件形成的电源开关12、14。高侧电源开关12的源极端子耦合到输入电压Vin，低侧电源开关14的源极端子接地，并且，电源开关12、14的漏极端子耦合在一起，以定义相位节点。输出电感器16串联耦合在相位节点和提供输出电压Vo的端子之间，并且电容器18与电阻性负载Rload并联耦合。各个驱动器22、24交替地驱动电源开关12、14的栅极端子。驱动器22、24又受到数字控制电路30(后面描述)的控制。电源开关12、14的开和关在相位节点上提供具有大致成矩形的波形的中间电压，并且，输出电感器16和电容器18形成的滤波器把矩形波变换为基本为DC的输出电压Vo。
数字控制电路30从电源10的输出部分接收反馈信号。如图1所示，反馈信号对应于输出电压Vo，尽管应该理解，反馈信号可替换地(或另外)对应于电阻性负载Rload抽取的输出电流或对应于其它任何代表被数字控制电路30控制的参数的信号。反馈路径进一步包括分压器(未示出)，所述分压器把检测的输出电压Vo减小到有代表性的电压电平。数字控制电路30提供具有占空因数的脉宽调制波形，其中，控制占空因数来把输出电压Vo(或输出电流)调节到期望水平。即使示出的典型电源10具有降压变换器拓扑，但应该理解，使用数字控制电路30的电源10的反馈环路控制同样应用到其它已知的电源拓扑，如在隔离和非隔离配置中的升压和降压-升压变换器，并可应用到不同的控制策略，如已知的电压模式、电流模式、电荷模式和/或平均电流模式控制器。
更具体地，数字控制电路30包括模拟-数字变换器(ADC)32、数字控制器34和数字脉宽调制器(DPWM)36。在本发明的优选实施例中，ADC 32进一步包括接收反馈信号(即输出电压Vo)和电压基准(Ref)作为输入的窗口快速ADC。ADC 32产生与输入(Ref-Vo)之差相应的电压误差信号(VEdk)的数字表示。数字控制器34具有把电压误差信号VEdk变换为提供给DPWM 36的数字输出的转移函数G(z)，数字控制器34把该信号变换为具有成比例脉冲宽度的波形(PWMk)。如以上所讨论地，DPWM 36产生的脉冲调制波型PWMk通过各个驱动器22、24耦合到电源开关12、14的栅极端子。
图2示出用于数字控制电路30中的窗口快速ADC 40。如以上所讨论地，ADC 40接收电压基准Ref和输出电压Vo作为输入。电压基准作用到梯形电阻器的中心，梯形电阻器包括在基准电压端与连接到正电源电压(VDD)的电流源之间串联的电阻器42A、42B、42C、42D以及在基准电压端与接地的电流源之间串联的电阻器44A、44B、44C、44D。每一个电阻器都具有相同的电阻值，与电流源一起确定在电压基准Ref之上和之下范围的多个相同间隔的电压增量(如5mV)。可以选择电阻值和/或电流源的大小，以确定ADC 40的LSB分辨率。比较器阵列连接到梯形电阻器，包括多个正极侧比较器46A、46B、46C、46D以及多个负极侧比较器48A、48B、48C、48D。正极侧比较器46A、46B、46C、46D每一个都具有连接到输出电压Vo的非反相输入端、以及连接到各个电阻器42A、42B、42C、42D的反相输入端。同样，负极侧比较器48A、48B、48C每一个都具有连接到输出电压Vo的非反相输入端、以及连接到各个电阻器44A、44B、44C、44D的反相输入端。负极侧比较器48D具有接地的非反相输入端、以及连接到输出电压Vo的反相输入端。应该理解，可包括更大量的电阻器和比较器，以增加电压增量的数量，并因而增加ADC 40的范围；并且，图2中所示有限数量的电阻器和比较器仅用于示范目的。
ADC 40进一步包括耦合到比较器46A、46B、46C、48A、48B、48C输出端的逻辑器件52。逻辑器件52接收比较器输出，并提供代表电压误差VEdk的多位(如4位)并行输出。例如，超出基准电压Ref一个电压增量(如5mV)的输出电压Vo使比较器46B、46A、48A、48B和48C的输出变高，同时，比较器46C、46D和48D的输出保持较低。逻辑器件52把这解释为逻辑电平9(或二进制1001)，并且产生相关的电压误差信号VEdk。应该理解，电压基准Ref是可变的，以便移动ADC 40的窗口。如果输出电压Vo超过梯形电阻器的最高电压增量，比较器46D的输出端就提供HIGH饱和信号。相似地，如果输出电压Vo低于梯形电阻器的最低电压增量，比较器48D的输出端就提供LOW饱和信号。
图3示出具有数字滤波器和误差控制器62的数字控制器。数字滤波器进一步包括无限脉冲响应(IIR)滤波器，IIR滤波器从先前的电压误差输入VEdk和先前的输出PWM′k产生输出PWM′k。如以上所讨论地，ADC 40提供电压误差输入VEdk。数字滤波器输出PWM′k提供给数字脉宽调制器(DPWM)36，DPWM 36向电源开关提供脉宽调制控制信号(PWMk)。
IIR滤波器以框图形式示出，并且包括第一多个延迟寄存器72、74、…、76(每一个都标记为z-1)；具有系数71、73、…、77(标记为C0、C1、…、Cn)的第一多个数学运算符(乘法器)；第二多个数学运算符(加法器)92、94、96；第二多个延迟寄存器82、84、…、86(每一个都标记为z-1)；以及具有系数83、87(标记为B1、…、Bn)的第三多个数学运算符(乘法器)。每一个第一多个延迟寄存器72、74、76保留电压误差VEdk的先前采样，并接着由系数71、73、77中的对应一个加权。同样，每一个第二多个延迟寄存器82、84、86保留输出PWM′k的先前采样，并接着由系数83、87中的对应一个加权。加法器92、94和96把加权的输入和输出采样结合在一起。应该理解，可在IIR滤波器中包括更大量的延迟寄存器和系数，并且图3中所示的有限数量仅用于示范目的。图3所示的数字滤波器结构是以下转移函数G(z)的典型实施G(z)=PWM(z)VEd(z)=C0+C1·z-1+C2·z-2+...+Cn·z-n1-B1·z-1-B2·z-2-...-Bn·z-n]]>误差控制器62接收反映ADC 40和数字滤波器的误差条件的多个输入信号。具体地，误差控制器62分别从ADC 40接收反映输出电压Vo高于和低于ADC电压窗口的HIGH和LOW饱和信号。每一个数学运算符(加法器)92、94、96向误差控制器62提供反映数学运算符溢出条件(即进位)的溢出信号。数字滤波器进一步包括范围限制器81，如果输出PWM′k达到范围上限或下限，范围限制器81就限幅输出PWM′k。在此情况下，范围限制器81向误差控制器62提供相应的限制信号。
误差控制器62使用这些输入信号来改变数字滤波器的操作，以便提高数字滤波器对变化负载条件的响应。误差控制器62耦合到第一多个延迟寄存器72、74、76和第二多个延迟寄存器82、84、86中的每一个，以便能重置和/或预置在其中储存的数值。如在本文中所使用的，“重置”指把数值设定为初始值(如零)，而“预置”指把数值设定为另一预定的数字。具体地，误差控制器62可用改变电源性能的预定值来取代电压误差VEdk和输出PWM′k的先前采样。数字控制器进一步包括多路复用器64，它能在PWM′k输出信号和误差控制器62提供的预定输出信号之间进行选择。误差控制器62提供的选择信号确定哪个信号通过多路复用器64。当ADC 40进入HIGH或LOW饱和时，误差控制器62通过控制多路复用器64而设定PWM′k信号为特定的预定值(或部分取决于先前采样的数值序列)。为了从此条件平滑地恢复，误差控制器还可通过重新装入第一多个延迟寄存器72、74、76和第二多个延迟寄存器82、84、86而改变延迟的输入和输出采样。这在ADC 40从饱和恢复时保证反馈环路的受控性能。
例如，如果ADC 40经历正饱和，即，LOW信号从低状态改变为高状态，PWM′k采样就可重置为零，以帮助减小误差。通过重置PWM′k采样为零，传输给电源10的高侧电源开关12的脉冲宽度变为零，有效地切断向电阻性负载20的供电(参见图1)。为了从此状态平滑地恢复，采样PWM′k-1、PWM′k-2、…、PWM′k-n也可重置为零或预置为另一数值，以允许平滑恢复。同样，如果ADC 40经历负饱和，即HIGH信号从低状态改变为高状态，PWM′k采样就预置为最大值，增加传输给高侧电源开关12的脉冲宽度，以减小误差。而且，当数字滤波器发生内部数值溢出时，误差控制器62可采取措施防止电源的电源开关的不受控制的命令，如改变数字滤波器的输入和输出采样。
因而，已经描述对开关式电源进行数字控制的方法的优选实施例，本领域中技术人员应该清楚，已经实现本系统的一些优点。还应该明白，在本发明的范围和精神内，可对本发明作出各种变更、改变和替代实施例。本发明由以下权利要求进一步定义。
权利要求
1.一种开关式电源，包括至少一个电源开关，该电源开关适合在所述电源的输入和输出端之间传输功率；以及数字控制器，该控制器适于响应所述电源的输出测量而控制所述至少一个电源开关的操作，所述数字控制器包括模拟-数字变换器，该器件提供代表所述输出测量和基准值之差的数字误差信号；数字滤波器，该器件基于当前和先前误差信号与先前控制输出的总和而提供数字控制输出；误差控制器，该器件适合在误差条件下修改所述数字滤波器的操作；以及数字脉宽调制器，该器件向所述至少一个电源开关提供控制信号，所述控制信号具有与所述数字控制输出相应的脉冲宽度。
2.如权利要求1所述的电源，其中，所述模拟-数字变换器进一步包括窗口快速模拟-数字变换器。
3.如权利要求2所述的电源，其中，所述窗口快速模拟-数字变换器提供反映所述模拟-数字变换器的负饱和的高信号以及反映所述模拟-数字变换器的正饱和的低信号。
4.如权利要求1所述的电源，其中，所述数字滤波器进一步包括无限脉冲响应滤波器。
5.如权利要求4所述的电源，其中，所述无限脉冲响应滤波器提供以下转移函数G(z)G(z)=PWM(z)VEd(z)=C0+C1·z-1+C2·z-2+...+Cn·z-n1-B1·z-1-B2·z-2-...-Bn·z-n]]>其中，PWM(z)是数字控制输出，VEd(z)是误差信号，C0...Cn是输入侧系数，而B1...Bn是输出侧系数。
6.如权利要求1所述的电源，其中，所述数字滤波器进一步包括范围限制器，如果达到范围的上限或下限，所述范围限制器就适于限幅所述数字控制输出。
7.如权利要求6所述的电源，其中，如果达到所述范围的上限或下限，所述范围限制器就向所述误差控制器提供限制信号。
8.如权利要求1所述的电源，其中，所述数字控制器进一步包括耦合到所述误差控制器和所述数字滤波器的多路复用器，所述误差控制器向所述多路复用器提供替代的数字控制输出，在所述误差条件下，所述数字控制输出传递到所述数字脉宽调制器。
9.如权利要求1所述的电源，其中，在所述误差条件下，所述误差控制器进一步适合用预定值预置至少一个所述先前误差信号。
10.如权利要求1所述的电源，其中，在所述误差条件下，所述误差控制器进一步适合用预定值预置至少一个所述先前控制输出。
11.如权利要求1所述的电源，其中，在所述误差条件下，所述误差控制器进一步适合把至少一个所述先前误差信号重置为初始值。
12.如权利要求1所述的电源，其中，在所述误差条件下，所述误差控制器进一步适合把至少一个所述先前控制输出重置为初始值。
13.如权利要求1所述的电源，其中，所述误差条件进一步包括所述模拟-数字变换器的饱和。
14.如权利要求1所述的电源，其中，所述误差条件进一步包括所述数字滤波器的数学溢出。
15.一种用于控制包括至少一个电源开关的开关式电源的方法，该电源开关适合在所述电源的输入和输出端之间传输功率，所述方法包括接收所述电源的输出测量；对所述输出测量进行采样，以提供代表所述输出测量和基准值之差的数字误差信号；基于当前和先前误差信号与先前控制输出的总和而对所述数字误差信号进行滤波，以提供数字控制输出；在误差条件下修改所述滤波步骤的操作；以及向所述至少一个电源开关提供控制信号，所述控制信号具有与所述数字控制输出相应的脉冲宽度。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述采样步骤进一步包括提供反映负饱和状态的高信号以及反映正饱和状态的低信号。
17.如权利要求15所述的方法，其中，滤波步骤进一步包括使用无限脉冲响应滤波器对所述数字误差信号进行滤波。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述滤波步骤进一步包括根据以下转移函数G(z)对所述数字误差信号进行滤波G(z)=PWM(z)VEd(z)=C0+C1·z-1+C2·z-2+...+Cn·z-n1-B1·z-1-B2·z-2-...-Bn·z-n]]>其中，PWM(z)是数字控制输出，VEd(z)是误差信号，C0...Cn是输入侧系数，而B1...Bn是输出侧系数。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述滤波步骤进一步包括如果达到范围的上限或下限，就限幅所述数字控制输出。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述滤波步骤进一步包括提供指示达到所述范围上限或下限的限制信号。
21.如权利要求15所述的方法，进一步包括在所述误差条件下，提供替代的数字控制输出。
22.如权利要求15所述的方法，其中，所述修改步骤进一步包括在所述误差条件下，用预定值预置至少一个所述先前误差信号。
23.如权利要求15所述的方法，其中，所述修改步骤进一步包括在所述误差条件下，用预定值预置至少一个所述先前控制输出。
24.如权利要求13所述的方法，其中，所述修改步骤进一步包括在所述误差条件下，把至少一个所述先前误差信号或至少一个所述先前控制输出重置为初始值。
全文摘要
本发明涉及用于开关式电源的数字控制系统和方法，其中电源包括至少一个电源开关，该电源开关适合在电源的输入和输出端之间传输功率；以及数字控制器，该控制器适于根据电源的输出测量而控制至少一个电源开关的操作。数字控制器包括模拟－数字变换器，该器件提供代表输出测量和基准值之差的数字误差信号；数字滤波器，该器件基于先前误差信号和先前控制输出的总和而提供数字控制输出；误差控制器，该器件适合在误差条件下修改数字滤波器的操作；以及，数字脉宽调制器，该器件向电源开关提供控制信号，该控制信号具有与数字控制输出相应的脉冲宽度。用于控制电源的方法包括以下步骤接收电源的输出测量；对输出测量进行采样，以提供代表输出测量和基准值之差的数字误差信号；基于先前误差信号和先前控制输出的总和而对数字误差信号进行滤波，以提供数字控制输出；在误差条件下修改滤波步骤的操作；以及向至少一个电源开关提供控制信号，该控制信号具有与数字控制输出相应的脉冲宽度。
文档编号H02M3/157GK1706091SQ200480000008
公开日2005年12月7日 申请日期2004年2月9日 优先权日2003年2月10日
发明者阿兰·沙皮伊 申请人:大动力有限公司