CN103765745B - 转换器的初级电压感测和控制 - Google Patents

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Abstract

DC/DC转换器的控制器可以包括第一误差模数转换器(EADC)(110)，其被配置为检测来自变压器的次级侧(120)的初级电压并生成对应于该初级电压的第一误差信号。根据第一参考电压和所检测的初级电压之间的比较生成第一误差信号。第一加速器(140)可以被配置为处理第一误差信号并生成第一补偿信号，该第一补偿信号是用于前馈控制的初级电压变化信号。第二EADC(180)和第二加速器(184)可以被配置为提供输出电压反馈控制。第一加速器(140)的补偿信号可以被用来比例化第二加速器(184)输出，从而便于快速前馈控制。

Description

转换器的初级电压感测和控制
技术领域
本发明涉及用于提供转换器的初级电压感测和控制的***和方法。
背景技术
由于***通信和预偏置需求，以高于200W的功率水平供应DC功率并且尺寸为1/8砖或更大的许多中间总线转换器(IBC)以及几乎所有的自适应总线转换器(ABC)在其次级侧上具有控制器。然而，由于物理尺寸和成本制约，很少使用庞大的初级电流互感器和昂贵的隔离线性电压收发器。因此，如何在没有直流初级电压和电流感测的情况实现数字控制成为人们关心的问题。大部分已有的解决方案利用额外的偏置变压器绕组和采样保持电路来感测初级电压。电压信号在被馈送到数字控制器之前必须被过滤甚至放大。这通常需要外部电路的若干个交换周期来响应，而转换器感测和固件中断在能够调整调制占空比以前可能需要额外的时间来处理电压信息。这种缓慢的信号感测和控制响应在发生输入电压浪涌时使转换器不能具有受限的输出电压扰动。而太大的输出电压扰动可以导致转换器关闭。
发明内容
在一个示例中，DC/DC转换器的控制器包括第一误差模数转换器(EDAC)，该第一误差模数转换器被配置为监测来自变压器的次级侧的初级电压并且生成对应于该初级电压的第一误差信号。基于第一参考电压和所检测的初级电压之间的比较生成第一误差信号。第一加速器可以被配置为前馈控制以便处理第一误差信号并且基于相比于第一参考电压的初级电压变化来生成第一补偿信号。
在另一示例中，一种方法包括通过第一误差模数转换器(EADC)来监测DC/DC转换器的初级电压以便生成第一误差信号，其中第一误差信号基于第一参考信号与所监测的初级电压的比较。该方法包括基于第一误差信号生成第一补偿信号和通过第二EADC监测来自DC/DC转换器的输出电压以便生成第二误差信号，其中该第二误差信号基于第二参考电压与所监测的输出电压的比较。该方法包括基于第二误差信号生成第二补偿，其中将第二补偿信号与第一补偿信号合并来调整PWM占空比，以便调节DC/DC转换器的输出电压。这包括将第一补偿信号和第二补偿信号合并到前馈控制中从而便于DC/DC转换器在一个交换周期内的稳态操作。
在又一示例中，DC/DC转换器的控制器包括第一误差模数转换器(EADC)，该第一误差模数转换器被配置为检测变压器的次级侧中的初级电压并生成对应于该初级电压的第一误差信号，其中基于第一参考电压与所检测的初级电压的比较生成第一误差信号。控制器包括第一加速器，其被配置为处理第一误差信号并生成第一补偿信号，该第一补偿信号表示相比于参考点的初级电压变化并且用于前馈控制。这包括被配置为检测DC/DC转换器输出电压并生成对应于该输出电压的第二误差信号的第二误差模数转换器(EADC)。基于第二参考电压与所检测的输出电压的比较生成第一误差信号。第二加速器可以被配置为处理第二误差信号并生成第二补偿信号，该第二补偿信号被前向馈送到变压器的初级侧以便控制初级电压。该控制器也包括调制器来控制变压器的初级侧和次级侧内的开关元件。为了便于DC/DC转换器在一个交换周期中的稳态操作，控制器也可以包括合并器以便将第一补偿信号和第二补偿信号前向馈送到调制器。
附图说明
图1示出采用控制器从而便于控制转换器的转换器的示例。
图2示出示例DC/DC转换器电路，其示出数字控制器从而便于转换器的控制。
图3示出描述图2所示的DC/DC转换器的启动电压和定时的示例信号图。
图4示出描述图2所示的DC/DC转换器的输出电流响应和定时的示例信号图。
图5示出带有动态增益调整从而便于控制初级电压的数字控制器的另一示例。
图6示出便于控制DC/DC转换器的示例方法。
具体实施方式
图1示出了转换器100的示例，该转换器采用配置以便于控制脉宽调制器(PWM)占空比的控制装置。图1的示例中的控制装置采用转换器100的次级侧感测和前馈控制。DC/DC转换器100可以包括第一模数转换器(ADC1)110，第一模数转换器110被配置为通过初级电压监测器114来检测初级电压。ADC110和初级电压监测器在本文中被统称为第一误差ADC(EADC1)。初级电压监测器114监测来自变压器120的次级侧的初级电压并生成第一误差信号，该第一误差信号对应于变压器初级130相对于参考电压(未示出)生成的初级电压。
第一加速器140可以被配置为处理第一误差信号并生成第一补偿信号，该第一补偿信号被前馈到电压控制环路，以便最小化由输入电压变化造成的输出电压扰动并且调节稳定的输出电压。加速器140可以被实现为硬件加速器，例如数学协同处理器、现场可编程门阵列或其它高速可编程控制器。作为一个示例，该加速器可以被实现为控制定律加速器，例如从德州仪器公司商业化获得的控制定律加速器。如所示，第一补偿信号与第二补偿信号可以在144处合并(例如，相乘)并被前馈到调制器150，调制器150驱动到变压器初级130的初级驱动器(例如，开关电路诸如场效应晶体管)160。调制器150也可以驱动变压器次级120中的次级驱动器(例如开关电路)。
可以提供输出电压监测器170用于监测DC/DC转换器输出电压并且用于基于该输出电压相对于第二参考(未示出)生成第二误差信号。输出电压监测器可以将第二误差信号提供给第二ADC180。输出电压监测器170和第二ADC180在本文中被统称为第二误差ADC(EADC2)。通常被称为电压环路补偿器的第二加速器(例如，硬件加速器诸如普通定律加速器)处理来自第二EADC的第二误差信号并生成第二补偿信号，该第二补偿信号在144处与第一补偿信号进行合并被前馈至调制器150。
DC/DC转换器100提供超过常规转换器模型的改进的性能和稳定性。因为与具有单个反馈控制环路的常规转换器相反，变压器初级和转换器输出电压直接由快速模数转换器和控制器来采样/检测，所以这种改进通过反馈控制和前馈控制两者来实现。虽然在本文中在110和180处被称为ADC，然而基本上可以采用能够适当地响应DC/DC转换器输出电压和变压器初级输入电压的任何模数转换器。类似地，140和184处的加速器可以是足够快以响应电路设计约束(例如，在一个开关周期内实现瞬时启动稳定)的任何控制器。第一EADC逐周期地测量初级电压并将其与稳态参考值进行比较。差值被数字化并被馈送到下游加速器140，下游加速器140可以被配置为线性或非线性放大器。加速器的输出可以被用来缩放脉冲宽度调制器(PWM)(例如，数字脉冲宽度调制器(DPWM))150的占空比，脉冲宽度调制器150可以在变压器输出端保持类似的伏秒积(Volt*Second)(伏秒比(volt/second))并且最小化输出电压扰动。第二环路是由第二EADC提供的电压反馈控制环路，其通过提供对输出负载变化的快速响应和控制来进一步建立基线稳定性和在DC/DC转换器100中进行控制。
第一加速器140可以包括比例和积分(PI)控制以便生成第一补偿信号。这可以包括比例控制上的动态增益调整以致修改本文关于图2所公开的第一补偿信号。动态增益调整可以包括正步进控制或负步进控制，从而增大或减小第一补偿信号。初级电压监测器114可以包括第一差分放大器(未示出)用于监测初级电压并且生成到第一EADC110的第一输入误差信号。初级电压监测器114也可以包括第一数模转换器(DAC)(未示出)用于向第一差分放大器提供第一参考电压。
如所示，第二EADC可以被配置为检测DC/DC转换器100的输出电压并且生成对应于该输出电压的第二误差信号。第二加速器184处理第二误差信号并生成作为反馈补偿输出的第二补偿信号。第一补偿信号和第二补偿信号可以在144处被合并用于调整例如调制器150的数字脉宽调制器(DPWM)，调制器150通过初级驱动器160控制到变压器130的初级侧的开关元件。第二加速器184可以包括比例、积分和微分(PID)控制以生成第二补偿信号。第二差分放大器(未示出)可以监测DC/DC转换器100的输出电压并生成到第二EDAC的第二输入误差信号。DC/DC转换器100也可以包括第二数模转换器(DAC)来为第二差分放大器供应第二参考电压。
图2示出示例DC/DC转换器电路200，该电路示出便于快速感测初级电压的数字控制器组件。转换器电路200包括分别由数字脉冲宽度调制器(DPWM)224驱动的变压器初级210和变压器次级220，DPWM224具有输出端DPWM1-6。如所示，输出端DPWM1-4与输入电压Vin一同驱动初级210中的开关227-229，而输出端DPWM5、DPWM6驱动变压器次级220中的开关230和232。在电阻器R1和R2两端感测初级电压，其中电压Vs被用于初级电压的感测和控制。电感器Lo为表示为Vo的电路200的输出进行滤波。电容器C和Co为转换器电路200进行额外的滤波。如所示，输出电压Vo和初级感测电压Vs被输入到数字控制器240。
电压Vs由具有数模转换器(DAC)254提供第一参考电压的差分放大器250采样。差分放大器250的输出由供给加速器264的模数转换器(ADC)260采样(注意：图1的EADC1是差分放大器250、DAC254和ADC260的组合)，并且加速器264驱动到DPWM224的输入的合并器(例如，乘法器)268。如所示，加速器264包括比例和积分控制，微分控制被示为虚线以表明其非活动的操作状态。比例和积分控制在输入到乘法器268之前可以被求和。
电压Vo由具有数模转换器(DAC)274提供第二参考电压的差分放大器270采样。差分放大器270的输出由供给加速器284的模数转换器(ADC)280采样，并且加速器284驱动到DPWM224的输入的乘法器268。例如，图1的EADC2可以包括差分放大器270、DAC274和ADC280的组合。如图2所示，加速器284包括在成为乘法器268的输入之前被求和比例、微分和积分控制。
数字控制器240可以被优化用于功率转换器控制，并可以提供两个或更多的数字环路。环路中的一个(由EADC2/ACC2控制)可以被用于电压输出环路控制。另一数字环路(由EADC1/ACC1控制)可以被用于初级电压感测和前馈控制。由于每个EADC都能够以高采样率(例如，诸如16MSPS(每秒百万次采样))进行操作，因此其能够捕获输出脉冲的平稳处的功率变压器的次级绕组电压220。脉冲幅度可以通过将EADC误差输出与电压参考值Vref1相加来计算，即Vin＝N*Ks*(EADC输出+Vref1)，其中N是变压器匝数比并且Ks＝R2/(R1+R2)。为了在启动功率级之前测量Vin，引入如下关于图3所描述的单帧模式(Single-Frame Mode)。
图3示出描述图2中所示的DC/DC转换器的启动电压和时序的示例信号图。如图3所示，以上关于图2所描述的数字控制器可以被配置为操作在单帧模式并且针对一个完整的开关周期使能功率级。在此启动试验开关周期内，初级电压可以被测量并且控制器可以确定功率级是否应该开始。峰值电流模式可以被用于前馈控制，其通过保持电流的峰值来响应输入电压浪涌。然而，控制器随后导致输出电感器(例如，在图2中被表示为Lo)在若干个接下来的开关周期中伏秒积不平衡。如图4所示，该不平衡在电流达到新的稳定状态并且电压环路开始响应之前会导致大电流扰动。
图4示出描述图2中所示的DC/DC转换器的输出电流响应和时序的示例信号图。如所示，在t＝0时刻，输入电压Vin从Vin_0增加(例如，浪涌)到Vin_1。与花费若干个开关周期的峰值电流模式(PCM)控制相反，图2中所描述的控制器采用前馈控制以在变压器输出端保持基本相同的伏秒积，并且强制输出电流IL在大约一个开关周期中进入新的稳态。如图4所示，前馈控制和峰值电流模式控制在Vin增加之前具有大约相同的稳态电流偏移绝对值，其分别在402和404处表示。此外，在花费比V*S控制显著更长的时间来用于PCM控制的电压环路响应之后，稳态电流402和404除了方向相反外也是相同的(稳态处的绝对值是相同的)。为了在Vin浪涌前后在功率变压器输出端保持大约相同的伏秒积，新的占空比Dv1可以如下：
Dv1＝Dv0*[1-ΔVp/(Vp0+ΔVp)] 方程式(1)
其中Vp是变压器输出电压幅度，ΔVp是Vp增量，而Dv0是Vin浪涌之前的占空比。
方程式1的“1-ΔVp/(Vp0+ΔVp)”部分可以是前馈比例并且其按照PID形式可以被表示如下：
PID输出＝-ΔVs[1/(Ks*Vin_0/N+ΔVs)]+0/s+0*s+1 方程式(2)
＝e*[1/(KAFE*Ks*Vin_0/N-e)]+0/s+0*s+1
其中，KAFE是EADC增益，并且e是EADC输出。
同样1/(KAFE*Ks*Vin_0/N-e)是比例增益，并且常量“1”是积分分支的初始值。比例增益可以被计算并预编程到图2的第一加速器264的非线性表。如图5所示，计算可以通过使用一个基于PID的加速器来实现。
作为进一步的示例，图5示出可以被实现以便快速控制转换器的数字控制器500。在该示例中，数字控制器500包括采用在510处示出的非线性比例控制的加速器530，其中Bin表示二进制步骤调整，P表示正步进而N表示负步进。这样的步进可以被动态地(自动地并且在数字控制器500的不同操作时期中)增加以调整520处的初级电压控制器EADC1和530处的加速器1(ACC1)的比例增益。例如，主控制器或处理器可以为加速器530提供指令，用于以此方式来增加比例增益。如所示，输出电压控制器可以利用540处的EADC2和550处的加速器2(ACC2)提供例如关于图2所公开的第二控制环路。530处的ACC1被示为位于稳态操作，其中微分控制输出的值是0并且积分控制输出的值是1。
鉴于以上所描述的上述结构和功能特征，参考图6将更好地理解示例方法。然而，为了简化说明的目的，将该方法示为及描述为顺序执行，应当理解和认识到，由于该方法的部分可以按照与本文所描述的顺序不同的顺序发生，或者同时发生，所以该方法不限于所示顺序，。这样的方法可以由在例如IC或控制器中配置的各种组件来执行。
图6示出采用前馈控制以便于快速感测初级电压的方法600。方法600包括通过第一误差模数转换器(EADC)来监测DC/DC转换器的初级电压，从而生成第一误差信号，其中该第一误差信号基于第一参考信号与610处所监测的初级电压的比较。在620处，方法600包括(例如，通过图2的加速器ACC1264)基于第一误差信号生成第一补偿信号。在630处，方法600包括通过第二EADC监测来自DC/DC转换器的输出电压，从而生成第二误差信号，其中第二误差信号基于第二参考电压与所监测的输出电压的比较。在640处，方法600包括(例如，通过图2的加速器ACC2284)基于第二误差信号生成第二补偿信号。在650处，方法600包括合并(例如，相乘)第一补偿信号和第二补偿信号以提供反馈和前馈控制，从而便于DC/DC转换器例如在一个开关周期内的稳态操作。例如，可以采用合并的信号来实现例如关于图2所公开的能够驱动初级驱动器、次级驱动器或两者的脉宽调制。虽然图6中没有示出，但是方法600还可以包括动态地调整与第一补偿信号相关的比例控制。这可以包括应用正增益步进或负增益步进来以非线性方式(例如，通过图5的非线性比例控制510)调整比例控制。这也可以包括应用比例、积分和微分(PID)控制来调整第二补偿信号。
本领域的技术人员将理解，在所声明的发明的范围内可以对描述的示例进行修改，并且许多其它实施例也是可能的。

Claims (17)

1.一种DC/DC转换器的控制器，包含：
第一误差模数转换器即第一EADC，其被配置为检测来自变压器的次级侧的初级电压并生成对应于所述初级电压的第一误差信号，根据第一参考电压和所检测的初级电压之间的比较生成所述第一误差信号；以及
第一加速器，其被配置为前馈控制以便处理所述第一误差信号并且基于相比于所述第一参考电压的初级电压变化来生成第一补偿信号；
进一步包括第二误差模数转换器即第二EADC，其被配置为检测所述DC/DC转换器的输出电压并生成对应于所述输出电压的第二误差信号，其中根据第二参考电压和所检测的输出电压之间的比较生成所述第二误差信号；
第二加速器，其被配置为处理所述第二误差信号并生成第二补偿信号，所述第二补偿信号被反馈到所述变压器的初级侧以便控制所述输出电压，其中所述第一补偿信号和所述第二补偿信号被合并以便调整脉宽调制器即PWM，所述PWM控制到所述变压器的所述初级侧的开关元件。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一加速器包括比例和积分即PI控制以便生成所述第一补偿信号。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中所述PI控制进一步包含包括动态增益调整的比例控制以便修改所述第一补偿信号。
4.根据权利要求3所述的控制器，其中所述动态增益调整包括正步进控制或负步进控制以便增大或减小所述第一补偿信号。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第一EADC进一步包括第一差分放大器以便监测所述初级电压并生成所述第一误差信号。
6.根据权利要求5所述的控制器，其中所述第一EADC进一步包括第一数模转换器即DAC，以便为所述第一差分放大器提供所述第一参考电压。
7.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第二加速器包括比例、积分和微分即PID控制以便生成所述第二补偿信号。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中所述第二EADC进一步包括第二差分放大器以监测所述DC/DC转换器的输出电压以及生成所述第二误差信号。
9.根据权利要求8所述的控制器，其中所述第一EADC在所述DC/DC转换器的一个完整的开关周期使能功率级。
10.一种提供DC/DC转换器的初级电压感测和控制的方法，包括：
通过第一误差模数转换器即第一EADC监测DC/DC转换器的初级电压以便生成第一误差信号，所述第一误差信号基于第一参考信号和所监测的初级电压的比较；
基于所述第一误差信号生成第一补偿信号；
通过第二EADC监测所述DC/DC转换器的输出电压以便生成第二误差信号，其中所述第二误差信号基于第二参考电压和所监测的输出电压的比较；
基于所述第二误差信号生成第二补偿信号，其中将所述第二补偿信号与所述第一补偿信号合并以便调整所述DC/DC转换器的初级电压；以及
将所述第一补偿信号和所述第二补偿信号合并到控制环路，以便于所述DC/DC转换器在一个开关周期中的稳态操作。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述生成第一补偿信号步骤进一步包括动态调整与所述第一补偿信号相关的比例控制。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述生成第一补偿信号步骤进一步包括应用正增益步进或负增益步进来调整所述比例控制。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述生成第二补偿信号步骤进一步包括应用比例、积分和微分即PID控制来调整所述第二补偿信号。
14.一种DC/DC转换器的控制器，包含：
第一误差模数转换器即第一EADC，其被配置为检测来自变压器的次级侧的初级电压并生成对应于所述初级电压的第一误差信号，其中根据第一参考电压和所检测的初级电压之间的比较生成所述第一误差信号；
第一加速器，其被配置为处理所述第一误差信号并生成第一补偿信号，所述第一补偿信号是初级电压变化；
第二误差模数转换器即第二EADC，其被配置为检测所述DC/DC转换器的输出电压并生成对应于所述输出电压的第二误差信号，其中根据第二参考电压和所述DC/DC转换器的所述输出电压之间的比较生成所述第一误差信号；
第二加速器，其被配置为处理所述第二误差信号并生成用于电压环路反馈控制的第二补偿信号；
调制器，其控制所述变压器的初级侧和所述次级侧内的开关元件；以及
合并器，其将所述第一补偿信号和所述第二补偿信号前馈至所述调制器，从而便于所述DC/DC转换器在一个开关周期中的稳态操作。
15.根据权利要求14所述的控制器，其中所述第一加速器包括比例和积分即PI控制以便生成所述第一补偿信号。
16.根据权利要求15所述的控制器，其中所述PI控制进一步包含包括动态增益调整的比例控制以便修改所述第一补偿信号。
17.根据权利要求14所述的控制器，其中所述第二加速器包括比例、积分和微分即PID控制以便生成所述第二补偿信号。
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