CN102820763B - 用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法，包括产生时钟信号的时钟产生模块、计量脉宽的脉宽计量模块、用于存储脉宽计量结果的计量存储模块、以及将存储的脉宽计量结果计算和转化成模拟电压输出的除法模块；脉宽计量模块用于计量两种脉宽信号； 时钟产生模块根据计量的脉宽及计量的精度要求产生固定的时钟输出，作为脉宽计量模块的参考时钟；脉宽计量模块分别对输入的两种脉宽信号进行计量并输出；计量存储模块在被计量的脉宽每周期结束时存储脉宽计量模块的输出，并保持到下一周期结束，计量存储模块起到采样和保持的作用；除法模块根据计量存储模块存储的数字量进行数字模拟转化并同时进行除法运算。

Description

用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法

技术领域

本发明涉及脉宽除法实现方法。更具体地说，本发明涉及一种新的高精度脉宽除法实现方法用于功率变换器的各种脉宽控制方案的实施。

背景技术

在已有使用脉宽除法电路的实现方案中（图1），它是首先将对应的脉宽量转换成相应的模拟量，然后通过模拟除法电路来完成这两个模拟量的除法计算而输出相应的模拟量商值。具体地说，它需要先将对应的脉宽信号经积分电路转换成模拟电压信号，采样保持电路对该模拟电压信号进行采样保持处理；电压电流转换电路负责将接收到的模拟电压信号换成相应的模拟电流信号。两种模拟电流信号（例如为图2所述的导通时间ton和周期脉宽长度ts对应的模拟电流信号）通过模拟除法电路计算得到输出模拟量商值电流。电流电压转换电路再将上述模拟量商值电流再转换成模拟量商值电压信号。输出的模拟量商值电压信号用于完成相应的脉宽控制方案。由于脉宽的宽动态范围对应积分电路实现难度大，及对模拟采样保持电路要求精度高，从而导致相应的采样保持电路占用面积大；另外模拟除法电路及各种电压电流转换电路受制于精度低、电路复杂、对生产工艺要求高等限制，这些限制了脉宽除法电路的精度并大大增加该脉宽除法电路的实现成本。

发明内容

本发明提供一种用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法，它使得用于功率变换器控制的高精度脉宽除法实现电路简单、精度高、成本低、适用于不同的生产工艺；对于不同的功率变换器拓扑结构可以对不同的时间量进行精确计算并输出。

本发明的用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法是由如下功能块组成（如图3所示）：产生时钟信号的时钟产生模块、计量脉宽的脉宽计量模块、用于存储脉宽计量结果的计量存储模块、以及将存储的脉宽计量结果计算和转化成模拟电压输出的除法模块；所述脉宽计量模块用于分别计量两种脉宽信号。

时钟产生模块根据计量的脉宽及计量的精度要求产生固定的时钟输出，作为计量模块的参考时钟；根据不同功率变换器拓扑控制结构，脉宽计量模块分别对输入的两种脉宽信号进行计量并输出；计量存储模块在被计量的脉宽每周期结束时存储脉宽计量模块的输出，并保持到下一周期结束，该模块起到采样和保持的作用；除法模块根据计量存储模块存储的数字量进行数字模拟转化并同时进行除法运算；脉宽信号通过数字的方式进行计量，除法模块中包括两个数模转换器（即，数模转换模块），其中一个数模转换器的输出作为另外一个数模转换器的参考量来进行除法运算。

作为本发明的用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法的改进：脉宽信号包括导通时间（Ton）、关断时间（Toff）、断续时间（Tdis）和周期脉宽长度（Ts）。

作为本发明的用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法的进一步改进：除法模块包括运放A、场效应管Q、权电阻网络RA、电流镜Icouple和权电阻网络RB；运放A与场效应管Q和权电阻网络RA形成一个电流源，所述电流源的值是由参考电压Vr除以权电阻网络RA决定；该电流源的值经电流镜Icouple耦合输出至权电阻网络RB，产生对应的模拟电压。

作为本发明的用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法的进一步改进：权电阻网络RA中包含存储器控制的一个开关网络，权电阻网络RA电阻值以2进制权变化；权电阻网络RB中包含存储器控制的另一个开关网络，权电阻网络RB电阻值以2进制权变化。

本发明的用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法，可用于不同的拓扑结构的各种脉宽控制方案在各种应用场合中使用，如发光二极管驱动应用和电池充电应用，交直流变换器等。

本发明具有如下优点：

1、本发明为数字模拟混合电路，它充分利用数字电路的特点，简化了已有脉宽除法电路中的模拟电路结构；又使用了模拟电路的方法，简化了数字除法器的复杂结构；

2、可实现宽动态范围下的脉宽除法；

3、本发明能实现高精度、低成本；

4、通过对不同的脉宽计量时钟频率的选择，可以有效的克服有限字长的误差。

附图说明

图1 是已有脉宽除法电路的方框示意图；

图2是2种不同的脉冲序列图；

图3是本发明的用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法的方框示意图；

图4 对应的是图3中的时钟产生模块、脉宽计量模块、计量存储模块的具体实施方式示意图；

图5 对应的是图3中的除法模块的具体实施方式示意图。

具体实施方式

实施例1、一种用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法，如图4和图5所示，包括产生时钟信号的时钟产生电路、计量脉宽的计数器、用于存储脉宽计量结果的存储器，上述3者均可按照常规的数字电路设计方法进行设计。

本发明的控制方法还包括将存储的脉宽计量结果计算和转化成模拟电压输出的除法模块；其具体如图5所示；

包括运放A、场效应管Q、权电阻网络RA、电流镜Icouple、权电阻网络RB；运放A与场效应管Q和权电阻网络RA形成一个电流源，所述电流源的值是由参考电压Vr除以权电阻网络RA决定；该电流源的值经电流镜Icouple耦合输出至权电阻网络RB，产生对应的模拟电压。权电阻网络RA中包含一个存储器控制的开关网络，权电阻网络RA电阻值以2进制权变化；同理，权电阻网络RB中也包含一个存储器控制的开关网络，权电阻网络RB电阻值以2进制权变化。

具体实施原理如下：

1、例如要得到ts/toff的脉冲除法，如图4 所示； Ts代表周期脉宽长度，Toff代表关断时间；高频时钟由时钟产生电路产生，被计量脉宽分别是Ts和Toff；

计数器根据高频时钟对Ts和Toff分别计数，可分别得到对应的Dts和Dtoff的数字量，并分别相应的存储在存储器中2个不同的地址单元内。因为采用相同的时钟计量，所以ts/toff=Dts/Dtoff。如图5所示，通过数模转换块Dtoff可以用来控制权电阻网络RA得到一个相应的电阻值作为数模转换的结果，该电阻值可以用Dtoff×R来表示。同理，通过数模转换块Dts可以用来控制权电阻网络RB得到一个相应的电阻值，用Dts×R来表示。 备注说明：Dts表征对应的周期脉宽数字量，Dtoff表征对应的关断时间脉宽数字量。

一个固定的参考电压Vr（外界提供）可以在Dtoff×R电阻串上产生一个参考电流I：该参考电流I通过电流镜Icouple产生相应的参考电流I’， 该参考电流I’作用在Dts×R电阻上得到一个电压，如图5所示：

I =Vr /（Dtoff×R）

Vo= I’×（Dts×R）

当I’=I时，

Vo  =Vr×（Dts×R）/（Dtoff×R)

  =Vr×（Dts/Dtoff）

Vr是任意给定的一个常量，Vo输出就表示ts/toff的结果，与电阻R的大小无关，同时根据参考电压得到一个除法结果的输出电压。

由上述脉宽除法实现方法看，如果这两个脉宽量（即ts、toff）的相对量始终相差很大，要避免有效字长的误差而保证足够的除法精度，可以改变对这两个脉宽计量的对应时钟频率，即对宽脉宽用标准计量时钟进行计量，而对窄脉宽用高于标准计量时钟K倍数的时钟进行计量。此时，令I’=K倍的I；因此经这除法得出的商经相应的乘或除相应的倍数K即得到能避免有效字长误差的精确除法商值。

2、例如要得到Ton /Ts的脉冲除法，如图4 所示； Ts代表周期脉宽长度，Ton代表导通时间；高频时钟由时钟产生电路产生，被计量脉宽分别是Ts和Ton；

计数器根据高频时钟对Ts和Ton分别计数，可分别得到对应的Dts和Dton的数字量，并分别相应的存储在存储器中2个不同的地址单元内。因为采用相同的时钟计量，所以Ton /Ts=Dton /Dts。

通过数模转换块Dts可以用来控制权电阻网络RA得到一个相应的电阻值作为数模转换的结果，该电阻值可以用Dts×R来表示。同理，通过数模转换块Dton可以用来控制权电阻网络RB得到一个相应的电阻值，用Dton×R来表示。

备注说明：Dts表征对应的周期脉宽数字量，Dton表征对应的导通时间脉宽数字量。

一个固定的参考电压Vr（外界提供）可以在Dts×R电阻串上产生一个参考电流I：该参考电流I通过电流镜Icouple产生相应的参考电流I’， 该参考电流I’作用在Dton×R电阻上得到一个电压：

I =Vr /（Dts×R）

Vo= I’×（Dton×R）

当I’=I时，

Vo  =Vr×（Dton×R）/（Dts×R)

  =Vr×（Dton/Dts）

Vr是任意给定的一个常量，Vo输出就表示ton/ts的结果，与电阻R的大小无关，同时根据参考电压得到一个除法结果的输出电压。

由上述脉宽除法实现方法看，如果这两个脉宽量（即ts、ton）的相对量始终相差很大，要避免有效字长的误差而保证足够的除法精度，可以改变对这两个脉宽计量的对应时钟频率，即对宽脉宽用标准计量时钟进行计量，而对窄脉宽用高于标准计量时钟K倍数的时钟进行计量。此时，令I’=K倍的I；因此经这除法得出的商经相应的乘或除相应的倍数K即得到能避免有效字长误差的精确除法商值。

3、例如要得到Toff /Ts脉冲除法、或者要得到Toff /Ton脉冲除法、或者要得到（Ton+Toff） /Ts脉冲除法，均可等同于上述步骤1和步骤2进行操作。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法，其特征是：

包括产生时钟信号的时钟产生模块、计量脉宽的脉宽计量模块、用于存储脉宽计量结果的计量存储模块、以及将存储的脉宽计量结果计算和转化成模拟电压输出的除法模块；脉宽计量模块用于计量两种脉宽信号；

时钟产生模块根据计量的脉宽及计量的精度要求产生固定的时钟输出，作为脉宽计量模块的参考时钟；脉宽计量模块分别对输入的两种脉宽信号进行计量并输出；计量存储模块在被计量的脉宽每周期结束时存储脉宽计量模块的输出，并保持到下一周期结束，所述计量存储模块起到采样和保持的作用；

除法模块根据计量存储模块存储的数字量进行数字模拟转化并同时进行除法运算；除法模块中包括两个数模转换器，其中一个数模转换器的输出作为另外一个数模转换器的参考量来进行除法运算；

脉宽信号包括导通时间Ton、关断时间Toff、断续时间Tdis和周期脉宽长度Ts；

所述除法模块包括运放A、场效应管Q、权电阻网络RA、电流镜Icouple和权电阻网络RB；运放A与场效应管Q和权电阻网络RA形成一个电流源，所述电流源的值是由参考电压Vr除以权电阻网络RA决定；该电流源的值经电流镜Icouple耦合输出至权电阻网络RB，产生对应的模拟电压。

2.根据权利要求1所述的用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法，其特征是：

权电阻网络RA中包含一个存储器控制的开关网络，权电阻网络RA电阻值以2进制权变化；权电阻网络RB中也包含一个存储器控制的开关网络，权电阻网络RB电阻值以2进制权变化。

3.根据权利要求2所述的用于功率变换器脉宽控制的高精度脉宽除法实现方法，其特征是：

要得到ts/toff的脉冲除法，Ts代表周期脉宽长度，Toff代表关断时间；高频时钟由时钟产生电路产生，被计量脉宽分别是Ts和Toff；

计数器根据高频时钟对Ts和Toff分别计数，分别得到对应的Dts和Dtoff的数字量，并分别相应的存储在存储器中2个不同的地址单元内；因为采用相同的时钟计量，所以ts/toff＝Dts/Dtoff；通过数模转换块Dtoff用来控制权电阻网络RA得到一个相应的电阻值作为数模转换的结果，该电阻值用Dtoff×R来表示；通过数模转换块Dts用来控制权电阻网络RB得到一个相应的电阻值，该电阻值用用Dts×R来表示；

参考电压Vr在Dtoff×R电阻串上产生一个参考电流I；该参考电流I通过电流镜Icouple产生相应的参考电流I’，该参考电流I’作用在Dts×R电阻上得到一个电压：

I＝Vr/(Dtoff×R)

Vo＝I’×(Dts×R)

当I’＝I时，

Vo＝Vr×(Dts×R)/(Dtoff×R)

＝Vr×(Dts/Dtoff)；

所述Vo输出就表示ts/toff的结果，与电阻R的大小无关；根据参考电压Vr得到一个除法结果的输出电压。