开关模式电源的电压前馈补偿和电压反馈补偿制造技术

数字控制单元300产生控制信号D来控制开关模式电源100的占空比，以便实现对输入电压瞬变的更快的响应。所述数字控制单元包括反馈补偿器3014、前馈补偿器3013、瞬变检测器3012和控制器3011。所述瞬变检测器接收指示所述开关模式电源的输入电压的信号，并检测所接收的信号的瞬变。所述反馈补偿器接收指示所述开关模式电源的输出电压的信号，并调整控制信号D。所述前馈补偿器接收指示所述开关模式电源的输入电压的信号，执行对控制信号的相对快速但粗略的调整，并且然后执行对控制信号的更精确但相对缓慢的调整。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】开关模式电源的电压前馈补偿和电压反馈补偿
本专利技术总体上涉及开关模式电源(switchedmodepowersupply)(有时也被称为开关模式电源(switchmodepowersupply)或开关模式电源(switchingmodepowersupply))的领域，并且更具体地涉及一种用于开关模式电源的数字控制单元，该数字控制单元提供对输入电压瞬变的改进的响应。
技术介绍
开关模式电源(SMPS)是凭借尺寸小和重量轻以及高效率而具有多种应用的公知类型的电源转换器。例如，SMPS被广泛用于个人计算机和便携式电子设备，例如手机。SMPS通过在高频(通常几十到几百kHz)切换开关元件(如功率MOSFET)来实现这些优点，其中利用反馈信号对切换的频率或占空比进行调整，以将输入电压转换成期望的输出电压。SMPS可以采用整流器(AC/DC转换器)、DC/DC转换器、变频器(AC/AC)或逆变器(DC/AC)的形式。在大多数SMPS拓扑结构中，输出信号的电压Vout与输入信号的电压Vin直接成正比：Vout∝DVin等式1在上面的等式1中，D是切换的占空比。为了最小化实际输出电压与期望的输出电压之间的差异，通常根据反馈信号而控制占空比，其中反馈信号是所测量的输出电压与期望的输出电压之间的误差信号。误差信号被反馈到控制占空比的反馈补偿器，使得所测量的输出电压被调整到期望的输出电压。优选的是，SMPS的输出信号在所有条件下保持在其期望的电压电平。然而，由于输入信号的瞬变，难以维持期望的输出电压电平。瞬变是SMPS的输入信号中的变化。输入信号的瞬变可以使输出电压电平几乎立即发生变化。在已知的SMPS设计中，只有SMPS的输出滤波器中的惯性会降低这种影响。此外，反馈到反馈补偿器的误差信号通常在改变占空比时太慢，所以在输出电压上引入大的瞬变。由输入瞬变导致的问题的一种已知的解决方案是将前馈补偿器102与反馈补偿器101级联，如图1所示。在图1所示的级联或串联布置中，反馈补偿器101计算SMPS(图1未示出)的占空比。前馈补偿器102(与反馈补偿器分离)计算并应用前馈补偿来调整已由反馈单元101计算的占空比。基于图1的布置的已知的前馈系统在以下公开：Calderone、L.Pinola、V.Varoli，“Optimalfeed-forwardcompensationforPWMDC/DCconverterswith“linear”and“quadratic”conversionratio，IEEEtrans，PowerElectron.，vol.7，No.2，pp349-355，Apr.1992。B.Arbetter和D.Marksimovic，“FeedforwardPulseWidthModulatorsforSwitchingPowerConverters”，IEEEtrans，PowerElectron.，vol.12，no.2，pp361-368，Mar.1997。M.K.Kazimierczuk、A.J.Edstron，“Open-looppeakvoltagefeedforwardcontrolofPWMBuckconverter”，IEEEtrans.CircuitsandSystemsI，vol.47，No.5，pp.740-746，May2000。J.-P.Sjoroos、T.Suntio、J.Kyyra、K.Kostov，“Dynamicperformanceofbuckconverterwithinputvoltagefeedforwardcontrol”，EuropeanConferenceonPowerElectronicsandApplications，2005。由数字控制单元200控制的SMPS100示于图2中。SMPS100的输入和输出信号的电压由模数转换器(ADC)202和203采样并转换成数字采样。逻辑单元204和205用于将采样变换成适合由数字控制单元处理并适合进行噪声滤波的形式。来自逻辑单元205的输出电压采样被反馈到反馈补偿器206，反馈补偿器206应用控制律，例如比例-积分-差(PID)，也被称为比例-积分-微分或比例-积分-导数控制律。应当理解的是，PID控制律仅仅是用于确定SMPS的占空比的合适的控制律的一个示例。许多备选控制律也是可能的，例如PI、PD、P、I和FIR。再参照图2，由前馈补偿器207根据来自逻辑单元204的输入电压采样对来自反馈补偿器206的输出进行调整，以产生补偿的占空比控制信号。前馈补偿降低输入电压的瞬变对SMPS100的输出电压的影响。补偿的占空比控制信号D从数字控制单元200输出并被馈送到数字脉冲宽度调制器208。数字脉冲宽度调制器208将占空比控制信号从数字格式转变成脉冲宽度调制(PWM)的占空比信号。然后输出PWM信号以控制SMPS100的开关元件。使用反馈补偿器和前馈补偿器的SMPS控制单元(如上所述)具有许多问题。例如，控制单元计算补偿的占空比控制信号导致很长的计算时间和增加的功率消耗。此外，即使是在输入电压稳定时，必须每个开关周期执行具有额外乘法的复杂并耗时的除法运算。已知的数字前馈补偿器的一个额外问题是，当输入信号的电压位于用于测量输入信号的ADC的量化级附近时，噪声会导致输入信号的量化版本改变。然后，即使在输入信号几乎是恒定的时，前馈补偿也将引入输出信号的瞬变。当输入信号正在缓慢地改变并且反馈正在补偿这些改变时，经历另一个问题。当输入信号的电压然后从一个量化级改变到下一个时，前馈补偿将添加额外的补偿，该额外的补偿引入输出信号的瞬变。已知的SMPS控制单元的再一个问题是，在轻负载时，能量可以在隔离的DC/DC转换器中来回传送，并且这使得输入电压上升。这也触发前馈补偿并且引入输出电压噪声。此外，由于对输入电压Vin进行测量来对占空比执行校正动作导致的固有延迟本身将导致瞬变，必须对该瞬变进行补偿。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人已经认识到，计算补偿的占空比控制信号的计算时间较长的一个原因在于前馈补偿的占空比控制信号的计算。本专利技术因此被设计为包括粗略、极低计算前馈补偿过程，它允许更长的计算时间用于更精确并且更计算代价高的前馈计算过程。因此，可以更快速地对检测到的电压瞬变执行动作。这导致针对输入电压瞬变的改进的鲁棒性。根据本专利技术，提供了一种产生用于控制开关模式电源的占空比的数字控制信号的方法。该方法包括：接收指示开关模式电源的输入电压的信号；接收指示开关模式电源的输出电压的信号；以及检测所接收的指示开关模式电源的输入电压的信号的瞬变。此外，响应于检测到所述瞬变，该方法包括：通过根据指示输出电压的信号而调整用于控制开关模式电源的占空比的控制信号来执行该控制信号的电压反馈调整；通过将用于控制开关模式电源的占空比的控制信号的值设定为通过对控制信号的值执行至少一个算术移位运算而导出的值来执行该控制信号的粗略电压前馈调整；以及通过将用于控制开关模式电源的占空比的控制信号的值设定为根据指示开关模式电源的输入电压的信号而计算的值来执行该控制信号的更精确的电压前馈调整。本专利技术还提供了一种用于控制开关模式电源的占空比的数字控制单元。该数字控制单元包括反馈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生成用于控制开关模式电源(100)的占空比的数字控制信号的方法，所述方法包括：接收指示所述开关模式电源(100)的输入电压(Vin)的信号；接收指示所述开关模式电源(100)的输出电压(Vout)的信号；检测所接收的指示所述开关模式电源的输入电压(Vin)的信号的瞬变(S402)；以及响应于检测到所述瞬变：通过根据指示所述输出电压的信号来调整用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的控制信号(D)，执行所述控制信号(D)的电压反馈调整(S406、S409)；通过将所述用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的控制信号(D)的值设定为通过对所述控制信号的值执行至少一个算术移位运算而导出的值(Dcut)，执行所述控制信号的粗略电压前馈调整(S404、S407)；以及通过将所述用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的控制信号(D)的值设定为根据指示所述开关模式电源的输入电压(Vin)的所述信号而计算的值(Dnew)，执行所述控制信号的更精确的电压前馈调整(S405、S408、S410)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生成用于控制开关模式电源(100)的占空比的数字控制信号的方法，所述方法包括：接收指示所述开关模式电源(100)的输入电压(Vin)的信号；接收指示所述开关模式电源(100)的输出电压(Vout)的信号；检测所接收的指示所述开关模式电源的输入电压(Vin)的信号的瞬变(S402)；以及响应于检测到所述瞬变：通过根据指示所述输出电压的信号来调整用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的控制信号(D)，执行所述控制信号(D)的电压反馈调整(S406、S409)；在前馈补偿的第一阶段中，通过将所述用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的控制信号(D)的值设定为通过对所述控制信号的值执行至少一个比特移位运算而导出的值(Dcut)，执行所述控制信号的粗略电压前馈调整(S404、S407)；以及在前馈补偿的第二阶段中，通过将所述用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的控制信号(D)的值设定为根据指示所述开关模式电源的输入电压(Vin)的信号而计算的值(Dnew)，执行所述控制信号的更精确的电压前馈调整(S405、S408、S410)；其中，执行前馈补偿的第一阶段和第二阶段，使得在将控制信号设定为在第二阶段中计算的值之前，将控制信号设定为在第一阶段中导出的值。2.根据权利要求1所述的方法，其中，执行所述控制信号的粗略的和更精确的电压前馈调整，使得：在所述开关模式电源(100)的第一开关循环中：通过对所述控制信号(D)的值执行至少一个比特移位运算而导出所述控制信号(D)的值(Dcut)，并且存储所导出的值(Dcut)以用于后续应用(S404)；以及开始根据指示所述开关模式电源的输入电压(Vin)的信号来计算所述控制信号的更精确的值(Dnew)(S405)；在所述开关模式电源的第二开关循环中，所述第二开关循环是所述第一开关循环后的下一开关循环：通过应用在所述第一开关循环期间存储的所述控制信号的值(Dcut)来调整所述控制信号(D)(S407)；以及完成所述控制信号(D)的更精确的值(Dnew)的计算，并且存储所计算的值用于后续应用(S408)；以及在所述开关模式电源(100)的第三开关循环中，所述第三开关循环是所述第二开关循环后的下一开关循环：通过应用在所述第二开关循环期间存储的所述控制信号的值(Dnew)来调整所述控制信号(S410)。3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述控制信号(D)的电压反馈调整在所述第一开关循环和所述第二开关循环中的至少一个中执行。4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一开关循环包括检测到所述瞬变的开关循环。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：在已经执行所述控制信号的电压反馈调整、所述控制信号的粗略电压前馈调整和所述控制信号的更精确的电压前馈调整之后，检测指示所述开关模式电源(100)的输入电压(Vin)的信号是否存在瞬变(S411)；以及响应于在已经执行电压反馈调整、粗略电压前馈调整和更精确的电压前馈调整之后检测到瞬变：通过将所述控制信号调整为通过对所述控制信号的值执行至少一个比特移位运算而导出的值(Dcut)，以将所述值改变预定量，其中所述预定量是根据所检测到的瞬变的大小而选择的，执行所述控制信号的另一粗略电压前馈调整(S413、S407)；以及通过将所述控制信号设定为根据指示所述开关模式电源的输入电压(Vin)的信号而计算的值(Dnew)，执行所述控制信号的另一更精确的电压前馈调整(S414、S408、S410)。6.根据从属于权利要求2到4中任一项的权利要求5所述的方法，其中，执行所述控制信号的所述另一粗略电压前馈调整和所述另一更精确的电压前馈调整，使得：在所述开关模式电源的第三开关循环中：通过对所述控制信号的值执行至少一个比特移位运算来导出所述控制信号的值(Dcut)，以导出被调整了所述预定量的所述控制信号的值(Dcut)，并且存储所导出的所述值(Dcut)以用于后续应用(S413)；以及开始根据指示所述开关模式电源的输入电压(Vin)的信号来计算所述控制信号的更精确的值(Dnew)(S414)；在所述开关模式电源的第四开关循环中，所述第四开关循环是所述第三开关循环后的下一开关循环：通过应用在所述第三开关循环期间存储的所述控制信号的值(Dcut)来调整所述控制信号(D)(S407)；以及完成所述控制信号的所述更精确的值(Dnew)的计算，并且存储所计算的值以用于后续应用(S408)；以及在所述开关模式电源的第五开关循环中，所述第五开关循环是所述第四开关循环后的下一开关循环：通过应用在所述第四开关循环期间存储的值(Dnew)来调整所述控制信号(D)(S410)。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述控制信号的电压反馈调整在所述第三开关循环和所述第四开关循环中的至少一个中执行(S415、S409)。8.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对所述控制信号的值执行多个比特移位运算并对结果进行合并来计算用于所述控制信号的粗略电压前馈调整的值(Dcut)。9.一种用于控制开关模式电源(100)的占空比的数字控制单元(300)，所述数字控制单元(300)包括：反馈补偿器(3014)，被配置为接收指示所述开关模式电源(100)的输出电压(Vout)的信号，并且用于根据指示输出电压(Vout)的信号来调整用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的控制信号(D)；前馈补偿器(3013)，用于接收指示所述开关模式电源(100)的输入电压(Vin)的信号，并且用于通过将用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的控制信号(D)的值设定为通过对所述控制信号(D)的值执行至少一个比特移位运算而导出的值(Dcut)来执行所述控制信号的粗略调整，并且用于通过将用于控制所述开关模式电源(100)的占空比的所述控制信号(D)的值设定为根据指示输入电压(Vin)的信号而计算的值(Dnew)来执行所述控制信号的更精确的调整；瞬...

【专利技术属性】
技术研发人员：马格纳斯·卡尔松，安德斯·卡尔曼，乔纳斯·马尔伯格，弗雷德里克·威尔多，
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