使用数字斜率补偿用于峰值电流控制转换器的方法及设备技术

混合信号集成电路(例如典型微控制器或数字信号控制器DSC)提供数字斜率补偿来实施切换模式电力供应器SMPS系统中的峰值电流控制。使用已测量的数字值的简单且快速软件计算需要单个乘法累加指令MAC来确定将与电感器/开关电流比较以控制电力开关的斜率补偿峰值电流参考信号ICMP。使用软件程序来以数字形式进行所有计算还允许许多不同应用程序的容易可配置性以通过写入到存储器映射中的寄存器来设置斜率值且允许SMPS应用程序可实时动态地调适或配置。整个斜率补偿功能及PWM控制可自含于所述微控制器或DSC内且无需外部组件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于峰值电流控制转换器的数字斜率补偿
本专利技术涉及用于切换模式电力供应器(SMPS)应用的峰值电流控制，且特定来说，本专利技术涉及将数字斜率补偿用于峰值电流控制。
技术介绍
峰值电流控制是在切换模式电力供应器(SMPS)拓扑(例如降压、升压及降升压功率转换器)及其衍生拓扑中的流行的控制技术，其用于改进动态响应、较大噪声抑制、磁性组件中的磁通量平衡、逐循环电流限制及并联连接的SMPS设备之间的简化负载分担。峰值电流控制SMPS系统通常具有产生峰值电流参考信号的补偿器。使用高速模拟比较器来比较此信号与预处理电感器/开关电流。高速模拟比较器有效地控制SMPS的脉宽调制器(PWM)。当预处理电感器/开关电流超过峰值电流参考信号(由外部电压补偿器产生)时，切断SMPS开关。在完成经编程的PWM切换周期之后再次接通SMPS电力开关，借此实现固定频率操作。预处理电感器/开关电流仅为由“斜率补偿”斜坡信号修改的感测电感器/开关电流，所述“斜率补偿”斜坡信号将向下斜率调制到电流参考值上以稳定电力电路。需要斜率补偿斜坡信号来实施SMPS拓扑中的峰值电流控制技术，这是因为其在以大于50％的PWM工作循环操作SMPS时消除次谐波振荡。具有模拟斜率补偿的数字电压补偿器峰值电流控制通常为使用线性放大器(例如模拟运算放大器)、数字触发器及模拟比较器来实施或通过使用专用集成电路(ASIC)来实施的模拟技术。使用微控制器来实施峰值电流控制技术的流行方法涉及：使用数字补偿器来替换模拟补偿器，借此产生“数字峰值电流参考信号”。此数字峰值电流参考信号耦合到数/模转换器(DAC)的输入。DAC的输出是到内置高速模拟比较器的(负)输入。预处理电感器/开关电流(使用外部电路)通常被提供到内置高速模拟比较器的正端子。应注意，归因于额外组件需求，使用外部模拟网络电路来实施斜率补偿存在可靠性问题。上述方法的替代可为从由数字补偿器提供的数字峰值电流参考信号连续减去数字斜坡信号。这将需要极高速地中断数字处理器，所述速度可为转换器的切换频率的若干倍。此要求限制PWM切换频率范围且因此使此方法不适用于通常以高切换频率运行(尤其为使用低成本微控制器)的商用SMPS。另一替代可为在微控制器内提供专用核心或外围设备，其在无中央处理单元(CPU)介入的情况下具体地执行此数学运算。然而，此新增的外围设备功能会增加微控制器成本。具有数字斜率补偿的数字电压补偿器为实施包括数字补偿器及与模拟比较器组合的数字斜率补偿的数字峰值电流控制解决方案，已在文献中提出数种方法且已对一些方法申请专利。已获得专利的方法中的一者涉及用于运算斜率补偿因子(Ksc)的输入及输出电压的逐循环测量。数学表达式(其为Ksc的函数)、测量电感器/开关电流及数字峰值电流参考用于确定数字斜率补偿的峰值电流参考。数字斜率补偿的峰值电流参考被载入到高速DAC中且其模拟输出被应用于高速模拟比较器的输入。此数学表达式可能需要两个除法指令及两个乘法指令以及数个加减法指令，其为运算密集型的且需要强大数字处理器以在PWM循环之间的短时间内适当地执行。由弗兰克·施迈瑟(FrankSchafmeister)及托拜厄斯·格罗特(TobiasGrote)于2012年10月2日发布的标题为“用于电流模式控制的数字斜率补偿(DigitalSlopeCompensationforCurrentModeControl)”的第8,278,899B2号美国专利中更完全地描述此全数字补偿方法。
技术实现思路
因此，需要在无需单独硬件模块来进行斜率补偿、外部模拟组件或高运算产出率处理的情况下实施峰值电流控制。根据实施例，一种用于提供切换模式电力供应器(SMPS)控制器中的斜率补偿的方法可包括以下步骤：在PWM循环开始时接通PWM控制信号；对到SMPS的输入电压(vin)取样；将所述经取样的输入电压(vin)转换为其数字表示(VIN_D)；从所述SMPS取样输出电压(vo)；将所述经取样的输出电压(vo)转换为其数字表示(VOUT_D)；当每一脉宽调制(PWM)信号在PWM循环开始时接通时，对所述SMPS的电感器电流(IL)取样，其中所述电感器电流(IL)可处于最小电感器电流值(IV)处；将所述经取样的最小电感器电流(IV)转换为其数字表示(IV_D)；根据以下步骤使用数字处理器来确定数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)：确定A，其中A可为所述经取样的输出电压(VOUT_D)及所述经取样的输入电压(VIN_D)的数字表示的函数，对于降压转换器拓扑，对于升压转换器拓扑，对于降升压转换器拓扑，其中β可在0.5＜β≤1的范围内，确定B，其中B可为所述经取样的输出电压(VOUT_D)及所述经取样的输入电压(VIN_D)的数字表示的函数，对于降压转换器拓扑，对于升压转换器拓扑，对于降升压转换器拓扑，其中β可在0.5＜β≤1的范围内，使A与所述数字最小电感器电流(IV_D)相乘，使B与数字控制参考电流(IC_D)相乘，且使上述两个乘法步骤的结果相加以确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D＝A*IV_D+B*IC_D)；使用数/模转换器(DAC)来将所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)转换为模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)；使用模拟比较器来比较所述模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)与所述电感器电流(IL)；当所述电感器电流(IL)可大致上等于所述模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)时，使用来自所述模拟比较器的输出来切断所述PWM控制信号；及在下PWM循环开始时返回到接通所述PWM控制信号的步骤。根据所述方法的另一实施例，当β可等于1时确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)的步骤可包括以下步骤：确定d，其中对于降压转换器拓扑，d＝VOUT_D/VIN_D，对于升压转换器拓扑，d＝1-VIN_D/VOUT_D，及对于降升压转换器拓扑，d＝VOUT_D/(VIN_D+VOUT_D)；使d与所述数字最小电感器电流(IV_D)相乘，使(1-d)与所述数字控制参考电流(IC_D)相乘，且使上述两个乘法步骤的结果相加以确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D＝d*IV_D+(1-d)*IC_D)。根据所述方法的另一实施例，可由数字补偿器确定所述数字控制参考电流(IC_D)。根据所述方法的另一实施例，所述数字补偿器可选自由单极单零低通滤波器、双极双零低通滤波器、三极三零低通滤波器、数字比例-积分-微分(PID)控制器、数字比例-积分(PI)控制器及数字硬件补偿器组成的群组。根据另一实施例，一种用于提供降压转换器拓扑切换模式电力供应器(SMPS)控制器中的斜率补偿的方法可包括以下步骤：在PWM循环开始时接通PWM控制信号；对到SMPS的输入电压(vin)取样；将所述经取样的输入电压(vin)转换为其数字表示(VIN_D)；从所述SMPS取样输出电压(vo)；将所述经取样的输出电压(vo)转换为其数字表示(VOUT_D)；当每一脉宽调制(PWM)信号在PWM循环开始时接通时，对所述SMPS的电感器电流(IL)取样，其中所述电感器电流(IL)可处于最小电感器电流值(IV)处；将所述经取样的最小电感器电流(IV)转换为其数字本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于提供切换模式电力供应器SMPS控制器中的斜率补偿的方法，所述方法包括以下步骤：在PWM循环开始时接通PWM控制信号；对到SMPS的输入电压(vin)取样；将所述经取样的输入电压(vin)转换为其数字表示(VIN_D)；从所述SMPS取样输出电压(vo)；将所述经取样的输出电压(vo)转换为其数字表示(VOUT_D)；当每一脉宽调制PWM信号在PWM循环开始时接通时，对所述SMPS的电感器电流(IL)取样，其中所述电感器电流(IL)处于最小电感器电流值(IV)处；将所述经取样的最小电感器电流(IV)转换为其数字表示(IV_D)；根据以下步骤使用数字处理器来确定数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)：确定A，其中A是所述经取样的输出电压(VOUT_D)及所述经取样的输入电压(VIN_D)的所述数字表示的函数，对于降压转换器拓扑，

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.28 US 14/607,6841.一种用于提供切换模式电力供应器SMPS控制器中的斜率补偿的方法，所述方法包括以下步骤：在PWM循环开始时接通PWM控制信号；对到SMPS的输入电压(vin)取样；将所述经取样的输入电压(vin)转换为其数字表示(VIN_D)；从所述SMPS取样输出电压(vo)；将所述经取样的输出电压(vo)转换为其数字表示(VOUT_D)；当每一脉宽调制PWM信号在PWM循环开始时接通时，对所述SMPS的电感器电流(IL)取样，其中所述电感器电流(IL)处于最小电感器电流值(IV)处；将所述经取样的最小电感器电流(IV)转换为其数字表示(IV_D)；根据以下步骤使用数字处理器来确定数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)：确定A，其中A是所述经取样的输出电压(VOUT_D)及所述经取样的输入电压(VIN_D)的所述数字表示的函数，对于降压转换器拓扑，对于升压转换器拓扑，对于降升压转换器拓扑，其中β是在0.5＜β≤1的范围内，确定B，其中B是所述经取样的输出电压(VOUT_D)及所述经取样的输入电压(VIN_D)的所述数字表示的函数，对于降压转换器拓扑，对于升压转换器拓扑，对于降升压转换器拓扑，其中β是在0.5＜β≤1的范围内，使A与所述数字最小电感器电流(IV_D)相乘，使B与数字控制参考电流(IC_D)相乘，及使上述两个乘法步骤的结果相加以确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D＝A*IV_D+B*IC_D)；使用数/模转换器DAC来将所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)转换为模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)；使用模拟比较器来比较所述模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)与所述电感器电流(IL)；当所述电感器电流(IL)大致上等于所述模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)时，使用来自所述模拟比较器的输出来切断所述PWM控制信号；及在下一PWM循环开始时返回到接通所述PWM控制信号的所述步骤。2.根据权利要求1所述的方法，其中当β等于1时确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)的所述步骤包括以下步骤：确定d，其中对于降压转换器拓扑，d＝VOUT_D/VIN_D，对于升压转换器拓扑，d＝1-VIN_D/VOUT_D，及对于降升压转换器拓扑，d＝VOUT_D/(VIN_D+VOUT_D)；使d与所述数字最小电感器电流(IV_D)相乘；使(1-d)与所述数字控制参考电流(IC_D)相乘；及使上述两个乘法步骤的结果相加以确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D＝d*IV_D+(1-d)*IC_D)。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中由数字补偿器确定所述数字控制参考电流(IC_D)。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述数字补偿器选自由单极单零低通滤波器、双极双零低通滤波器、三极三零低通滤波器、数字比例-积分-微分PID控制器、数字比例-积分PI控制器及数字硬件补偿器组成的群组。5.一种用于提供降压转换器拓扑切换模式电力供应器SMPS控制器中的斜率补偿的方法，所述方法包括以下步骤：在PWM循环开始时接通PWM控制信号；对到SMPS的输入电压(vin)取样；将所述经取样的输入电压(vin)转换为其数字表示(VIN_D)；从所述SMPS取样输出电压(vo)；将所述经取样的输出电压(vo)转换为其数字表示(VOUT_D)；当每一脉宽调制PWM信号在PWM循环开始时接通时，对所述SMPS的电感器电流(IL)取样，其中所述电感器电流(IL)处于最小电感器电流值(IV)处；将所述经取样的最小电感器电流(IV)转换为其数字表示(IV_D)；根据以下步骤使用数字处理器来确定数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)：确定A，其中A是所述经取样的输出电压(VOUT_D)及所述经取样的输入电压(VIN_D)的所述数字表示的函数，其中且β是在0.5＜β≤1的范围内，确定B，其中B是所述经取样的输出电压(VOUT_D)及所述经取样的输入电压(VIN_D)的所述数字表示的函数，其中且β是在0.5＜β≤1的范围内，使A与所述数字最小电感器电流(IV_D)相乘，使B与数字控制参考电流(IC_D)相乘，及使上述两个乘法步骤的结果相加以确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D＝A*IV_D+B*IC_D)；使用数/模转换器DAC来将所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)转换为模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)；使用模拟比较器来比较所述模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)与所述电感器电流(IL)；当所述电感器电流(IL)大致上等于所述模拟斜率补偿的峰值电流参考(ICMP)时，使用来自所述模拟比较器的输出来切断所述PWM控制信号；及在下一PWM循环开始时返回到接通所述PWM控制信号的所述步骤。6.根据权利要求5所述的方法，其中当β等于1时确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D)的步骤包括以下步骤：确定d，其中d＝VOUT_D/VIN_D；使d与所述数字最小电感器电流(IV_D)相乘；使(1-d)与所述数字控制参考电流(IC_D)相乘；及使上述两个乘法步骤的结果相加以确定所述数字斜率补偿的峰值电流参考(ICMP_D＝d*IV_D+(1-d)*IC_D)。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中由数字补偿器确定所述数字控制参考电流(IC_D)。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述数字补偿器选自由单极单零低通滤波器、双极双零低通滤波器、三极三零低通滤波器、数字比例-积分-微分PID控制器、数字比例-积分PI控制器及数字硬件补偿器组成的群组。9.一种用于提供升压转换器拓扑切换模式电力供应器SMPS控制器中的斜率补偿的方法，所述方法包括以下步骤：在PWM循环开始时接通PWM控制信号；对到SMPS的输入电压(vin)取样；将所述经取样的输入电压(vin)转换为其数字表示(VIN_D)；从所述SMPS取样输出电压(vo)；将所述经取样的输出电压(vo)转换为其数字表示(VOUT_D)；当每一脉宽调制PWM信号在PWM循环开始时接通时，对所述SMPS的电感器电流(IL)取样，其中所述电感器电流(IL)处于最小电感器电流值(IV)处；将所述经取样的最小电感器电流(IV)转换为其数字表示(IV_D)；根据以下步骤使用数字处理器来...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙巴里西·卡亚那兰曼，拉梅西·坎卡那拉，
申请(专利权)人：密克罗奇普技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US