开关模式电源输出滤波器配置制造技术

提供有一种确定开关模式电源SMPS(100)的输出滤波器(120)中的电容器的配置的方法。该方法包括生成定义输出滤波器(120)中不同种类的电容器的相应布置的电容器的候选配置，每个候选配置与基于候选配置中每个种类的电容器的数量和指配给每个种类电容器的成本计算的成本函数的相应值关联，候选配置按成本函数的递增值或递减值的次序排序。该方法进一步包括：对电容器的有序候选配置执行二分搜索以从在二分搜索期间确定的电容器的候选配置之间确定与成本函数的最低值关联的电容器配置以允许满足SMPS的负载瞬态响应要求。使用具有输出滤波器的候选配置的SMPS模型来确定候选配置是否允许满足SMPS的负载瞬态响应要求以模拟响应于SMPS负载电流的改变的SMPS的输出电压的偏差，并基于输出电压的模拟偏差确定是否满足负载瞬态响应要求。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及开关模式电源(有时称为开关模式电源或开关模式电源)领域，并且更具体地说，涉及开关模式电源的输出滤波器中电容器配置的确定。
技术介绍
开关模式电源(SMPS)是众所周知的功率转换器类型，由于其小的大小和重量以及高效率而具有多样的应用范围，例如在个人计算机和便携式电子装置(诸如蜂窝电话)中。SMPS通过如下操作实现这些优点：以高频率(通常是数十到数百kHz)开关一个或多个开关元件(诸如功率MOSFET)，其中开关的频率或占空比通过反馈环(也广泛地称为“补偿环”或“反馈电路”)调整以将输入电压转换成期望的输出电压。SMPS可采取整流器(AC/DC转换器)、DC/DC转换器、变频器(AC/AC)或反相器(DC/AC)的形式。开关模式电源通常在其输出具有布置在低通滤波器配置中以对包含一个或多个开关元件的SMPS的开关电路的输出信号进行低通滤波的不同种类的电容组。而且，不同种类电容器一般在它们在电路板上占用的它们的价格和/或区域(其通常需要尽可能小)方面具有不同成本或者其它设计约束。因为电子系统变得越来越成本和空间有限，因此存在对优化给这些系统供电的开关模式电源的解耦滤波器的不断增长的需要，特别是当SMPS的解耦滤波器倾向于占据大比例的板空间时。解耦滤波器的配置优化(在不同种类电容的数量以及遍布滤波器结构如何布置这些电容器方面)从而可节省宝贵的板空间以及成本。然而，对于稳定DC电压的要求(这对许多现代电子系统是普遍的)对解耦滤波器的配置施加了严格限定，这使选择其中电容器的最优配置的任务复杂化了。设计解耦滤波器的常规方法已经倾向于采用迭代过程，通过该过程，借助于检查它形成一部分的SMPS的负载瞬态响应并修改滤波器的配置（实质上是通过试错）以便在过程的下一迭代中进行评估，来评估滤波器设计。然而，这种方法是费时的，并且通常导致解耦滤波器的次优配置。
技术实现思路
鉴于确定SMPS的解耦滤波器中的电容器配置的常规方法的缺点，本专利技术人已经设计了一种以系统方式通过搜遍一组候选电容器配置来确定允许有效地找到最优或接近最优的电容器配置的解耦滤波器电容器的配置的方案，其中搜索由满足SMPS的负载瞬态响应要求并最小化成本函数的值的要求引导。如将在下面说明的，专利技术人已经设计了一种最小化成本函数同时确保满足负载瞬态要求并且允许对于所定义的输出滤波器结构选择适当数量的每个种类电容器的技术。更具体地说，本专利技术人已经设计出一种确定SMPS的输出滤波器中的电容器配置的方法。该方法包括生成定义输出滤波器中不同种类的电容器的相应布置的电容器的候选配置，每个候选配置与基于候选配置中每个种类的电容器的数量和指配给每个种类电容器的成本计算的成本函数的相应值关联，其中候选配置按成本函数的递增（increasing）值或递减值的次序排序。该方法进一步包括：对电容器的有序候选配置执行二分搜索以从在二分搜索期间确定的电容器的候选配置之间确定与成本函数的最低值关联的电容器配置以允许满足SMPS的负载瞬态响应要求。使用具有输出滤波器的候选配置的SMPS模型来确定候选配置是否允许满足SMPS的负载瞬态响应要求以模拟响应于SMPS负载电流的改变的SMPS的输出电压的偏差，并基于输出电压的模拟偏差确定是否满足负载瞬态响应要求。专利技术人已经进一步设计出一种计算机程序产品，其包括携带计算机程序指令的信号或非暂时性计算机可读存储介质，所述指令当由处理器执行时使处理器执行如上所阐述的方法。本专利技术人进一步设计出一种用于确定SMPS的输出滤波器中的电容器配置的设备。所述设备包括布置成生成定义输出滤波器中的不同种类电容器的相应布置的电容器的候选配置的候选配置生成器模块。候选配置生成器模块包括布置成对于每个候选配置基于候选配置中的每个种类电容器的数量和指配给每个种类电容器的成本求解（evaluate）成本函数的成本计算模块，并且还包含布置成将每个候选配置与由成本计算模块计算的成本函数的相应值关联的关联模块。候选配置生成器模块布置成按成本函数的递增值或递减值的次序对候选配置排序。所述设备进一步包括：搜索模块，布置成对电容器的有序候选配置执行二分搜索以从在二分搜索期间确定的电容器的候选配置之间确定与成本函数的最低值关联的电容器配置以允许满足SMPS的负载瞬态响应要求。搜索模块包括：输出电压偏差确定模块，布置成使用具有输出滤波器的候选配置的SMPS模型模拟响应于SMPS的负载电流的改变的SMPS的输出电压的偏差；以及求解模块，布置成基于输出电压的模拟偏差确定电容器的候选配置是否允许满足负载瞬态响应要求。附图说明现在将参考附图仅作为示例来详细说明本专利技术的实施例，附图中：图1图示了对于理解本专利技术有帮助的开关模式电源的功能组件；图2图示了根据本专利技术实施例的用于确定SMPS的输出滤波器中的电容器配置的设备的功能组件；图3图示了在图2中示出的搜索模块的功能组件；图4示出了在图2和图3中示出的设备的示范硬件实现；图5是图示根据本专利技术实施例确定SMPS的输出滤波器中的电容器配置的方法的流程图；图6是示出生成在图5中图示的电容器的候选配置的过程的另外细节的流程图；图7是示出在该实施例中如何从全都具有成本函数的相同值的多个候选配置中选择候选电容器配置的流程图；图8示意性图示了在本文描述的SMPS的响应模拟中使用的负载电流瞬态的形式；图9图示了响应于负载电流瞬态的SMPS的输出电压的变化，其中峰值电压和恢复时间取用户规定的最大值；图10图示了在减去DC电压电平之后的图9中输出电压的变化；图11是图示确定用于调谐SMPS的反馈环的控制律参数的方法的流程图，其中对于SMPS的输出滤波器中电容器的候选配置确定目标函数G的值；图12是示出图11的步骤S300中的过程的另外细节的流程图；图13是图示用于估计目标函数G的最小值的位置的过程的流程图；图14A至14C示出了对于理解在图13中图示的过程有帮助的实验结果；图15图示了根据本专利技术第二实施例的修改的搜索模块的功能组件；图16A示出了在第二实施例中用于求解第二目标函数G2的规定输出电压偏差vr(t)的示例；图16B到16F图示了在第二实施例中可如何求解第二目标函数G2；图17是图示在第二实施例中调谐SMPS的反馈环的方法的流程图；图18A和18B是图示在第二实施例中用于估计在调谐反馈环中使用的目标函数的最小值的位置的过程的流程图；以及图19至21是图示在图7中示出的过程的备选的流程图。具体实施方式在描述本专利技术的实施例之前，首先将参考图1描述对于说明本专利技术有帮助的开关模式电源的组件。SMPS100包括开关电路110，其包括至少一个开关元件(例如MOSFET)，其布置在开关电路110中并控制成以高频率(例如数十或数百kHz)并以一占空比进行开关以便将SMPS100的输入DC电压Vin转换成输出电压，其由SMPS的低通滤波器120(例如包括电感器和一个或多个电容器的第一阶LC滤波器)进行滤波以生成输出（SMPS100的DC电压Vout)。开关电路110可包含隔离变换器，其具有由初级侧电路驱动的初级绕组和电耦合到初级绕组并布置成驱动通常包括整流网络的次级侧电路的次级绕组，一个或多个开关元件被提供在初级侧电路和次级侧电路之一或二者中。开关电路110本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定开关模式电源SMPS(100)的输出滤波器(120)中的电容器的配置的方法，所述方法包括：生成(S100)定义所述输出滤波器(120)中不同种类的电容器的相应布置的电容器的候选配置，每个候选配置与基于所述候选配置中每个种类的电容器的数量和指配给每个种类电容器的成本计算的成本函数的相应值关联，所述候选配置按所述成本函数的递增值或递减值的次序排序；以及对电容器的所述有序候选配置执行二分搜索(S200)以从在所述二分搜索期间确定的电容器的候选配置之间确定与所述成本函数的最低值关联的电容器配置以允许满足所述SMPS的负载瞬态响应要求，其中使用具有所述输出滤波器的所述候选配置的SMPS模型来确定候选配置是否允许满足所述SMPS的所述负载瞬态响应要求以模拟响应于所述SMPS的负载电流的改变的所述SMPS的输出电压的偏差，并基于所述输出电压的所述模拟偏差确定是否满足所述负载瞬态响应要求。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.31 EP PCT/EP2014/0564361.一种确定开关模式电源SMPS(100)的输出滤波器(120)中的电容器的配置的方法，所述方法包括：生成(S100)定义所述输出滤波器(120)中不同种类的电容器的相应布置的电容器的候选配置，每个候选配置与基于所述候选配置中每个种类的电容器的数量和指配给每个种类电容器的成本计算的成本函数的相应值关联，所述候选配置按所述成本函数的递增值或递减值的次序排序；以及对电容器的所述有序候选配置执行二分搜索(S200)以从在所述二分搜索期间确定的电容器的候选配置之间确定与所述成本函数的最低值关联的电容器配置以允许满足所述SMPS的负载瞬态响应要求，其中使用具有所述输出滤波器的所述候选配置的SMPS模型来确定候选配置是否允许满足所述SMPS的所述负载瞬态响应要求以模拟响应于所述SMPS的负载电流的改变的所述SMPS的输出电压的偏差，并基于所述输出电压的所述模拟偏差确定是否满足所述负载瞬态响应要求。2.如权利要求1所述的方法，其中指配给每个种类电容器的所述成本指示所述种类电容器的物理大小和价格中的至少一项。3.如权利要求2所述的方法，其中指配给每个种类电容器的所述成本指示所述种类电容器的所述物理大小和所述价格的加权和。4.如权利要求2或3所述的方法，其中：至少一个所述候选配置包括所述输出滤波器中的不同种类电容器的多个不同布置，所有所述不同布置都与所述成本函数的相同值关联；以及生成(S100)电容器的候选配置进一步包括：对于具有所述输出滤波器中的不同种类电容器的多个不同布置的所述至少一个候选配置中的每个配置，从对于所述二分搜索要保留的所述多个不同布置中选择(S150)电容器布置，所述选择通过如下操作执行：基于所述多个不同布置中的每个布置中的所述电容器的总价格和总物理大小中的一个选择(S152-2)所述多个不同布置的子集；以及基于所述子集中的每个所述布置中的所述电容器的所述总价格和所述总物理大小中的另一个从所述子集中选择(S154-2)布置。5.如权利要求2或3所述的方法，其中：至少一个所述候选配置包括所述输出滤波器中的不同种类电容器的多个不同布置，所有所述不同布置都与所述成本函数的相同值关联；以及生成(S100)电容器的候选配置进一步包括：对于具有所述输出滤波器中的不同种类电容器的多个不同布置的所述至少一个候选配置中的每个配置，从对于所述二分搜索要保留的所述多个不同布置中选择(S150)电容器布置，所述选择通过如下操作执行：将所述多个不同布置中的每个布置中的所述不同种类电容器之间的电容器分布与目标分布比较(S152)；以及选择(S154)在所述不同种类电容器之间与所述目标分布具有最类似电容器分布的电容器布置。6.如权利要求2或3所述的方法，其中：至少一个所述候选配置包括所述输出滤波器中的不同种类电容器的多个不同布置，所有所述不同布置都与所述成本函数的相同值关联；以及生成(S100)电容器的候选配置进一步包括：对于具有所述输出滤波器中的不同种类电容器的多个不同布置的所述至少一个候选配置中的每个配置，从对于所述二分搜索要保留的所述多个不同布置中选择(S150)电容器布置，所述选择通过如下操作执行：基于所述多个不同布置中的每个布置中的所述电容器的总价格和总物理大小中的一个选择(152-3)所述多个不同布置的子集；将所述子集中的每个所述布置中的所述不同种类电容器之间的电容器分布与目标分布比较(S154-3)；以及选择(S156-3)在所述不同种类电容器之间与所述目标分布具有最类似电容器分布的电容器布置。7.如权利要求3所述的方法，其中：至少一个所述候选配置包括所述输出滤波器中的不同种类电容器的多个不同布置，所有所述不同布置都与所述成本函数的相同值关联；以及生成(S100)电容器的候选配置进一步包括：对于具有所述输出滤波器中的不同种类电容器的多个不同布置的所述至少一个候选配置中的每个配置，从对于所述二分搜索要保留的所述多个不同布置中选择(S150)电容器布置，所述选择通过如下操作执行：基于指配给所述多个不同布置中的每个布置中的所述电容器的所述成本的总数选择(S152-4)所述多个不同布置的子集；将所述子集中的每个所述布置中的所述不同种类电容器之间的电容器分布与目标分布比较(S154-4)；以及选择(S156-4)在所述不同种类电容器之间与所述目标分布具有最类似电容器分布的电容器布置。8.如以上权利要求中任一项所述的方法，其中执行所述二分搜索(S200)包括：按照由所述控制律参数定义的控制律确定用于调谐布置成调节所述SMPS的所述输出电压的反馈环的控制律参数的值，所述控制律参数值通过如下操作确定：通过如下操作确定（S300）对应于所述反馈环的模型的传送函数中的两个零点中的每个的自然频率的相应估计：对于搜索空间中的多个点中的每个确定响应于所述SMPS的所述负载电流中的变化而发生的所述SMPS的所述输出电压的偏差，其中每个所述点的坐标都对应于所述零点的所述自然频率的候选值；使用在所述多个点中每个点的所述SMPS的所述输出电压的确定的偏差来求解目标函数以获得所述相应输出电压偏差的大小和恢复时间中的至少一项的测量；以及基于所述目标函数的求解值估计所述搜索空间中所述目标函数的最小值的位置，所述目标函数的所述最小值的所述位置对应于所述零点的所述自然频率；以及基于所述零点的所述自然频率的确定的估计来计算(S400)用于调谐所述反馈环的所述控制律参数值。9.如权利要求8所述的方法，其中所述目标函数提供了在所述SMPS(100)的负载电流的所述变化期间的最大SMPS输出电压偏差和恢复时间中的至少一项的测量，其中在所述恢复时间期间在所述SMPS的所述负载电流的所述变化之后所述SMPS的所述输出电压(Vout)返回到输出电压值的容限带内。10.如权利要求9所述的方法，其中所述目标函数由下式给出：，其中Vdev指代所述最大SMPS输出电压偏差，TR指代所述恢复时间，VDev_Req和TR_Req是归一化因子，wVdev和wR是加权因子，并且N和M是整数，其中N≥1并且M≥1。11.如权利要求9所述的方法，其中所述目标函数由下式给出：，其中Vdev指代所述最大SMPS输出电压偏差，TR指代所述恢复时间，VDev_Req和TR_Req是归一化因子，并且K和L是整数，其中K≥1并且L≥1。12.如权利要求9所述的方法，其中所述目标函数由下式给出：其中Vout(t)指代响应于所述SMPS的所述负载电流的所述变化而发生的所述SMPS的所述输出电压的所述偏差，Ttrans指代所述SMPS的所述负载电流的所述变化的持续时间，VDC指代DC电压，其中所述SMPS的所述输出电压响应于所述SMPS的所述负载电流的所述变化而从DC电压偏离，并且N是大于或等于1的整数。13.如权利要求8至12中任一项所述的方法，其中所述零点的所述相应自然频率的所述估计通过如下操作确定：确定(S310)对应于所述SMPS(100)的所述模型的传送函数中的两个主导极点中的每个极点的相应自然频率，所述主导极点的所述自然频率是NFpole1和NFpole2，其中NFpole1≤NFpole2；定义(S320)所述搜索空间中的所述零点的三角形搜索区域，所述三角形搜索区域具有在点(NFzeromin,NFzeromin)、(NFzeromax,NFzeromax)以及(NFzeromin,NFzeromax)和(NFzeromax,NFzeromin)之一的顶点，其中NFzeromin=NFpole1/rmin，NFzeromax=NFpole2∙rmax，并且rmin和rmax是各在1.5与3之间的范围因子；使用所述SMPS的所述模型和所述反馈环的所述模型对于所述三角形搜索区域中的多个点中的每个点，模拟(S330)响应于所述SMPS的所述负载电流中的所述变化而发生的所述SMPS的所述输出电压的偏差；使用在所述三角形搜索区域内的所述多个点中每个点的所述SMPS(100)的所述输出电压(Vout)的模拟偏差来求解(S340)所述目标函数以获得所述相应输出电压偏差的所述物理大小和所述恢复时间中的至少一项的测量；以及基于所述目标函数的所述求解值估计(S350)所述三角形搜索区域内所述目标函数的所述最小值的所述位置。14.如权利要求13所述的方法，其中所述零点的所述自然频率通过如下估计：(i)计算(S410)所述三角形搜索区域的每个所述顶点的所述目标函数的值；(ii)用得出所述目标函数的较小值的所述搜索区域内的顶点替换(S420)得出所述目标函数的最大值的所述三角形搜索区域的所述顶点以生成由所述搜索区域内的所述顶点和所述三角形搜索区域的所述剩余顶点定义的所述搜索区域内的三角形；(iii)求解(S440)在所述新顶点的所述目标函数；(iv)用得出所述目标函数的较小值的所述搜索区域内的新顶点替换(S450)得出所述目标函数的最大值的所述三角形的所述顶点以生成所述搜索区域内的新三角形；(v)重复步骤(iii)和(iv)以生成所述搜索区域内的一系列三角形，直到满足停止判据；以及(vi)当满足所述停止判据时，基于所述目标函数的所述求解值估计(S470)所述搜索区域内的所述目标函数的所述最小值的所述位置以获得所述零点的所述自然频率的估计。15.如权利要求14所述的方法，其中步骤(vi)包括选择在最后执行步骤(iv)中生成的所述三角形中或上的点，所述选择的点的所述坐标提供所述零点的所述自然频率的所述估计。16.如权利要求8至12中任一项所述的方法，其中确定所述传送函数中的两个零点中每个零点的所述自然频率的相应估计进一步包括：响应于所述SMPS(100)的所述负载电流的所述变化而使用在所述搜索空间中的所述多个点中每个点的所述SMPS(100)的所述输出电压(Vout)的所述确定偏差和所述SMPS(100)的所述输出电压(Vout)的规定偏差来求解第二目标函数以获得所述输出电压(Vout)的所述确定偏差超过所述输出电压(Vout)的所述规定偏差多少的测量，其中基于所述目标函数的所述求解值和所述第二目标函数的所述求解值估计所述目标函数的所述最小值的所述位置。17.如权利要求13-15中任一项所述的方法，进一步包括：响应于所述SMPS(100)的所述负载电流的所述变化而使用在所述三角形搜索区域中的所述多个点中每个点的所述SMPS(100)的所述输出电压(Vout)的所述确定偏差和所述SMPS(100)的所述输出电压(Vout)的规定偏差来求解第二目标函数以获得所述输出电压(Vout)的所述确定偏差超过所述输出电压(Vout)的所述规定偏差多少的测量，其中所述零点的所述自然频率通过如下估计：(i)计算所述三角形搜索区域的每个所述顶点的所述第二目标函数的值；(ii)用得出所述第二目标函数的较小值的所述搜索区域内的新顶点替换得出所述第二目标函数的最大值的所述三角形搜索区域的所述顶点以生成由所述搜索区域内的所述新顶点和所述三角形搜索区域的所述剩余顶点定义的所述搜索区域内的三角形；(iii)求解在所述新顶点的所述第二目标函数；(iv)用得出所述第二目标函数的较小值的所述搜索区域内的新顶点替换得出所述第二目标函数的最大值的所述三角形的所述顶点以生成所述搜索区域内的新三角形；(v)重复步骤(iii)和(iv)以生成所述搜索区域内的一系列三角形，直到所述第二目标函数在步骤(iii)中的所述新顶点被求解为0，并且在最后执行步骤(iv)中生成的所述三角形的所述剩余顶点已经被求解为0，在最后执行步骤(iv)中生成的所述三角形定义受限三角形搜索区域；(vi)计算所述受限搜索区域的每个所述顶点的所述目标函数的值；(vii)用得出所述目标函数的较小值的所述受限搜索区域内的新顶点替换得出所述目标函数的最大值的所述受限搜索区域的所述顶点以生成由所述受限搜索区域的剩余顶点和所述新顶点定义的所述受限搜索区域内的三角形；(viii)求解来自步骤(vii)的在所述新顶点的所述目标函数；(ix)用得出所述目标函数的较小值的所述受限搜索区域内的新顶点替换得出所述目标函数的最大值的所述三角形的顶点以生成所述受限搜索区域内的新三角形；(x)重复步骤(viii)和(ix)以生成所述受限搜索区域内的一系列三角形，直到满足停止判据；以及(xi)当满足所述停止判据时，基于所述目标函数的所述求解值估计所述受限搜索区域内的所述目标函数的所述最小值的所述位置以获得所述零点的所述自然频率的估计。18.如权利要求17所述的方法，其中步骤(xi)包括选择在最后执行步骤(ix)中生成的所述三角形中或上的点，选择的点的所述坐标提供所述零点的所述自然频率的所述估计。19.如权利要求17或18所述的方法，其中步骤(viii)进一步包括：求解在来自步骤(vii)的所述新顶点的所述第二目标函数，并且当所述第二目标函数在来自步骤(vii)的所述新顶点被求解为大于0时，所述方法包括重复步骤(iv)到(viii)，否则继续步骤(ix)。20.如权利要求16至19中任一项所述的方法，其中所述SMPS(100)的所述输出电压的所述规定偏差遵循时间上的规定的变化。21.如权利要求8至20中任一项所述的方法，其中所述反馈环包括PID调节器(150)，并且所述反馈环的模型将所述反馈环建模为PID调节器，所述控制律参数包括所述PID调节器的所述P、I和D控制参数。22.一种计算机可读存储介质(350)，存储计算机程序指令，所述指令当由处理器(320)执行时使所述处理器(320)执行如权利要求1至21中至少一项中所阐述的方法。23.一种信号(360)，携带计算机程序指令，所述指令当由处理器(320)执行时使所述处理器(320)执行如权利要求1至21中至少一项中所阐述的方法。24.一种用于确定开关模式电源SMPS(100)的输出滤波器(120)中的电容器的配置的设备（200），所述设备包括：候选配置生成器模块(210)，布置成生成定义所述输出滤波器(120)中的不同种类电容器的相应布置的电容器的候选配置，所述候选配置生成器模块(210)包括：成本计算模块(212)，布置成对于每个候选配置，基于所述候选配置中...

【专利技术属性】
技术研发人员：M梅尔泰格，M卡尔逊，D尼尔森，
申请(专利权)人：瑞典爱立信有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE