专利名称：线性预测控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流-直流(DC-DC)功率变换器，尤其涉及一种线性预测控制器，该控制器允许在低频率的切换下使用高数值的电感器，以便于提高效率且同时将瞬变数值保持在可容许的水平下。
背景技术：
DC-DC变换器通常是将未调整的直流输入电压变换至调整后的输出电压。该输出电压或部分输出电压可反馈至控制系统，由该控制系统比较反馈信号和参考电压以便于提供反馈误差信号。一个数字补偿模块可根据反馈误差信号产生一个基本或主要占空比信号。在标准的操作中，该数字补偿模块根据反馈误差信号来变化主要占空比信号的占空比，以试图根据参考信号来调整输出电压。DC-DC变换器可根据数字补偿模块所提供的主要占空比信号来生成输出信号。
至少一个与此标准配置有关的问题是数字补偿模块相对较缓慢，从而降低了输出信号的调整效率。但是可以在增加成本的条件下，通过增加基本系统的带宽和响应来提高速度。
发明内容
根据本发明的一个实施例的用于DC-DC变换器的线性预测系统包括一个线性预测控制器、第一和第二累加器和一个乘法器。该DC-DC变换器的操作通常根据占空比来产生输出信号，并且包括一个数字补偿模块，该数字补偿模块可以将反馈误差信号变换成主要占空比信号。线性预测控制器响应输出信号的变化预测主要占空比信号的线性变化，并提供表示其线性变化的预测占空比信号。第一累加器从主要占空比信号中减去预测占空比信号，以提供一个占空比增量(delta)。乘法器将占空比增量乘以一个增益因子，以提供一个占空比周期增量的样本。第二累加器将占空比增量样本与第一占空比信号相叠加，以产生一个可调整的占空比信号。
增益因子一般是在0和1之间且小于1，并且为了环路的稳定性而提供的。该线性预测控制器可以执行近似为第一阶的DC-DC变换器的反函数。
根据本发明的一个实施例的DC-Dc变换器包括一个补偿模块、一个DC-DC模块、一个线性预测控制器、以及第一和第二组合器。补偿模块将反馈误差信号转换成一个第一占空比信号。第一组合器将占空比增量叠加至所述第一占空比信号，以产生一个调整的占空比信号。DC-DC模块根据该调整的占空比信号产生输出信号。线性预测控制器响应输出信号的变化预测第一占空比信号的变化，并且提供一个表示其变化的预测占空比信号。第二组合器从第一占空比信号中减去预测占空比信号，以提供占空比增量。
DC-DC变换器可以包括一个乘法器，它将占空比增量乘以环路增益因子，以提供向第一组合器提供的改进的占空比增量。该线性预测控制器可以执行近似为第一阶的DC-DC模块的反函数。
一种根据本发明一个实施例的操作DC-DC功率变换器的方法，包括将反馈误差信号转换成第一占空比信号，从第一占空比信号中减去占空比增量以提供一个调整的占空比信号，根据调整的占空比信号产生一个输出信号，响应输出信号的变化线性预测占空比的变化以提供一个预测占空比，以及从第一占空比信号中减去预测占空比以提供占空比增量。该方法可以包括占空比增量乘以环路增益因子。该方法也可以包括执行DC-DC变换器的反函数，产生输出信号并近似为第一阶。
参考下列讨论和附图可以更好地理解本发明的效果、性能和优点。附图包括图1是具有根据本发明典型实施例的线性预测控制器的电源系统的方框图。
具体实施例方式
以下的描述使得本领域中的熟练技术人士能够在特定的应用和其需求范围内实现和使用所提供的本发明。然而，对较佳实施例的各种改进对本领域的熟练技术人士来说都将是显而易见的，并且本文所定义的一般原理都可以应用于其它实施例。因此，本发明并不旨在限制本文所显示和描述的特定实施例，而是旨在与本文中所披露的原理和新颖性特征相一致的最宽泛的范围。
根据本发明的一个实施例的线性预测控制器允许在低频率的切换下使用高数值的电感器，以便于提高效率且同时保持瞬变数值处于可容许的水平下。本发明提供具有非常快的稳定时间而不需要增加带宽的能力。
图1是具有根据本发明典型实施例的线性预测控制器的PWM电源系统100的方框图。一个标准的环路包括一个组合器101(比如，累加器)，它具有一个接收参考电压VREF的正相输入端和一个接收输出信号VOUT的反相输入端。组合器101从VREF中减去VOUT，以产生一个反馈误差信号ER，该信号可提供给数字补偿模块103的一个输入。数字补偿模块103接收ER信号并在它的输出端产生一个占空比周期D。忽略组合器105，占空比D提供给DC-DC变换器的一个输入，其中DC-DC变换器可以DC-DC模式模块107来表示。DC-DC模式模块107接收D信号(或者其一个版本)，并根据D信号产生VOUT信号。数字补偿模块103和DC-DC模式模块107的传递函数分别为Gc和GPT(z)。
在一个典型实施例中，D占空比信号具有由数字补偿模块103所确定的占空比，以便于根据VREF来调整VOUT。在标准的操作中，数字补偿模块103根据ER信号产生具有占空比的D信号，试图基于VREF来调整VOUT。DC-DC模式模块107根据D信号的占空比来生成VOUT信号，并且将VOUT信号反馈给组合器101的反相输入端，以完成基本或主要转换环路。至少一个与该标准配置有关的问题是，数字补偿模块103相对较慢，这就减小了VOUT的调整效率。可以在增加成本的条件下，通过增加基本系统的带宽和响应来提高速度。
增加一个具有传递函数GPre(z)的预测模块109，它具有一个接收VOUT信号的输入端和一个提供预测占空比信号PDC的输出端，该输出端被提供给另一组合器111的反相输入。组合器111具有耦连于数字补偿模块103输出端用于接收D信号的输入端。组合器111的输出提供给乘法器或者具有恒定增益因子k的增益模块113，还有一个提供给另一组合器105正相输入端的输出。而该D信号提供给组合器105的正相输入端，该组合器105将D信号与增益模块113的输出进行叠加，以生成一个提供给DC-DC模式模块107的调整的占空比信号DTC。
预测器模块109的传递函数GPre(z)等效于近似为第一阶的1/GPT(z)，其中，1/GPT(z)是DC-DC模式模块107的传递函数。预测器模块109从而执行DC-DC模式模块107反函数的一个快速且简化的版本，并从而预测产生实际VOUT信号所需的占空比。值得注意的是，DC-DC模式模块107的输入是占空比，而它的输出则是输出电压VOUT，预测器模块109的输入是输出电压VOUT，而它的输出则是预测占空比PDC。由于反函数近似为第一阶，所以它可以非常快速地执行并可比主要环路明显快得多地预测环路响应。从D中减去该PDC，以提供表示D信号误差的占空比差异或者占空比增量。对于负反馈，PDC是从D中减去，从而在理论上加回环路的负占空比增量应该能够校正误差。增益模块113为了环路的稳定性将占空比增量与增益因子k相乘，并将其结果加在D信号上，用于环路的校正。
假定在时间t＝0时D信号的占空比为“D”，其具有的输出为VOUT＝V，则预测器模块109的输出也应该是在相同的占空比“D”。然而，如果VOUT的电压增加至VOUT+v，其中，“v”表示VOUT的增量电压变化，则预测器模块109的输出最初在“D”为D+“d”，其中，“d”表示响应VOUT增量变化在预测器模块109输出端的增量变化。然而，缓慢的数字补偿模块103的输出仍处于D的占空比。组合器111从D中减去D+d，以得到负的占空比增量“-d”，它与增益因子k相乘，为组合器105提供-kd。组合器105将所产生的-kd叠加至D，以将DTC信号的占空比改变成D-kd。这样，预测器模块109比数字补偿模块103快得多地作出反应，以响应输出变化预测占空比的变化，从而更加紧密地调整VOUT信号。
预测器模块109提供了一个更加快捷的反馈环路来预测所希望的占空比，并以比缓慢的数字补偿模块103更加快的方式将占空比改为校正数值。增益因子“k”可针对环路的稳定性来选择，且在0和1之间，通常小于1。预测器模块109具有线性的响应，因为它忽略了较高阶的因子，并因此对占空比的较大变化可能较为不准确。若直接减去占空比增量可能会导致VOUT的不稳定性。相反，增益因子k只能够采样在占空比中预测变化的一部分，并将该部分叠加至环路中以显著减小线性预测的误差。为了具有更快的响应可以由线性预测器模块109补偿DTC信号，使得电源系统100可以更加快地响应VOUT中的变化而趋于新的稳定状态。
希望能采用数字控制器或者模拟控制器加以实现。
虽然本发明已经参考上述某些实施例进行了详细的描述，但是其它各种版本和变化都是有可能的且所期望的。本领域中的熟练技术人士应该意识到可以在没有背离本发明的精神和范围的条件下，容易地使用所披露的概念和特殊实施例作为提供本发明相同目的以外的其它结构的设计和改进的基础。
权利要求
1.一种用于DC-DC变换器的线性预测系统，所述线性预测系统根据占空比产生输出信号，并且包括一个将反馈误差信号转换为主要占空比信号的数字补偿模块，所述线性预测系统包括线性预测控制器，用于响应输出信号的变化而预测主要占空比信号的线性变化，并且还提供表示该变化的预测占空比信号；第一累加器，从主要占空比信号中减去所述预测占空比信号，以提供一个占空比增量；乘法器，将所述占空比增量乘以一个增益因子，以提供一个占空比增量的样本；和，第二累加器，将所述占空比增量样本叠加至第一占空比信号，以产生一个调整的占空比信号。
2.根据权利要求1所述的线性预测系统，其特征在于，所述增益因子小于1。
3.根据权利要求1所述的线性预测系统，其特征在于，所述线性预测控制器执行近似为第一阶的DC-DC变换器的反函数。
4.一种DC-DC变换器，包括补偿模块，用于将反馈误差信号转换成第一占空比信号；第一组合器，用于将占空比增量叠加至所述第一占空比信号，以产生一个调整的占空比信号；DC-DC模块，根据所述调整的占空比信号产生一个输出信号；线性预测控制器，用于响应所述输出信号的变化而预测所述第一占空比信号的变化，并且提供一个表示其变化的预测占空比信号；和，第二组合器，用于从所述第一占空比信号中减去所述预测占空比信号，以提供所述占空比增量。
5.根据权利要求4所述的DC-DC变换器，其特征在于，进一步包括乘法器，所述乘法器将所述占空比增量与环路增益因子相乘，以向所述第一组合器提供一个改进的占空比增量。
6.根据权利要求5所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述环路增益因子在0和1之间。
7.根据权利要求4所述的DC-DC变换器，其特征在于，所述线性预测控制器执行近似为第一阶的所述DC-DC模块的反函数。
8.根据权利要求4所述的DC-DC变换器，其特征在于，进一步包括一个第三组合器，用于从参考信号中减去所述输出信号，以产生所述的反馈误差信号。
9.一种操作DC-DC功率变换器的方法，包括将反馈误差信号转换成第一占空比信号；从第一占空比信号中减去占空比增量，以提供调整的占空比信号；根据调整的占空比信号产生输出信号；响应输出信号的变化而线性预测占空比的变化，以提供预测的占空比；以及，从第一占空比信号中减去预测占空比，以提供占空比增量。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述占空比增量乘以环路增益因子。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述线性预测占空比的变化包括执行所述产生近似为第一阶的输出信号的反函数。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括从参考信号中减去所述输出信号，以提供所述反馈误差信号。
全文摘要
一种用于DC－DC变换器的线性预测系统包括线性预测控制器、第一和第二累加器以及乘法器。DC－DC变换器产生输出信号并包括数字补偿模块，用于将反馈误差信号转换成主要占空比信号。线性预测控制器响应输出信号的变化而预测主要占空比信号的线性变化，并提供预测的占空比信号。第一累加器从主要占空比信号中减去预测的占空比信号，以提供占空增量。乘法器将占空比增量乘以增益因子，以提供占空比增量的样本。第二累加器将占空比增量的样本叠加至第一占空比信号，以产生调整的占空比信号。线性预测控制器执行近似于第一阶的DC－DC转换的反函数。
文档编号H02M3/24GK1691483SQ20051006508
公开日2005年11月2日 申请日期2005年4月6日 优先权日2004年4月19日
发明者萨基摩苏伊 申请人:英特赛尔美国股份有限公司