开关式电源补偿回路制造技术

提供了布置成生成用于控制开关式电源SMPS的输出电压的控制信号SD的控制器，SMPS基于SD和振荡参考信号SRef来控制它的切换。控制器包括：采样模块（150），所述采样模块以高于SRef的频率的频率将指示SMPS的输出电压的信号采样；滤波器模块（160），所述滤波器模块滤出所采样的信号的纹波成分以生成过滤的信号SF；以及布置成基于SF生成SD的PID控制器。PID控制器包括：第一组件，所述第一组件以因子Kp来缩放SF的样本值以生成第一组件信号；降采样模块（170‑2），所述降采样模块通过以SRej的频率采样基于所采样的信号的信号来生成降采样的信号SDC；存储模块（170‑4），所述存储模块存储SDC的值；第二组件，所述第二组件通过演算因子Kd和差异信号的积的值来生成第二组件信号，差异信号是SF中的每个样本值和所存储的值之间的差异。PID控制器被布置使得差异信号的每个值表示基于由采样模块（150）在参考信号的周期期间所得到的相应一个或更多样本的SF的相应值和基于由采样模块（150）在前面的周期中所得到的样本的SDC的值之间的差异；第三组件，所述第三组件以因子Ki来缩放SDC，并累计所缩放的、降采样的信号的值以生成第三组件信号；以及求和模块，所述求和模块通过将第一、第二和第三组件信号求和来生成SD。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】开关式电源补偿回路
本专利技术一般涉及开关式（switchedmode）电源（有时被称为开关式（switch/switchingmode）电源）的领域并更具体地涉及被用于调节电源的输出电压的开关式电源的反馈控制回路。
技术介绍
开关式电源（SMPS）是公知类型的功率转换器，其由于它的小尺寸和重量以及高效率而具有多样范围的应用，例如在个人计算机和诸如行动电话的便携式电子装置中。SMPS通过以下操作来实现这些优势：利用切换的占空比或频率由反馈回路（也广泛地被称为“补偿回路”或“反馈电路”）调整来以高频（通常几十或几百kHz）切换一个或更多开关元件（诸如功率MOSFET）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）或逆变器（DC/AC）的形式。反馈回路典型地包括控制器，其生成（基于SMPS的输出电压并根据通过一个或更多控制定律参数来定义的控制定律）用于调节SMPS的开关元件的切换占空比或切换频率控制信号以将SMPS的输出电压保持在预确定的值的附近。例如，SMPS可包括比例积分微分（PID）控制器，其根据通过PID控制器中的P、I和D控制参数集合的值来表征的PID控制定律来调节开关元件的占空比（或切换频率，根据具体情况而定）以保持SMPS的输出电压恒定。常规SMPS典型地利用周期性参考信号和已由它的PID控制器所生成的占空比控制信号来生成用于开启和关闭它的驱动链中的开关元件的驱动信号。在所谓的尼奎斯特采样的（Nyquist-sampled）控制器中（其中输出电压采样率和SMPS切换频率是相同的），指示占空比值的占空比控制信号在参考信号的一个周期期间使用在这个周期所得到的输出电压的样本来生成，并然后被用于控制下个周期中的开关元件的切换。常规SMPS典型地使用脉宽调制（PWM）来为开关元件生成驱动信号，其中占空比控制信号被与参考信号相比较，并且开关元件的状态在那个比较的基础上来被控制。例如，SMPS可采用数字PWM（DPWM）以基于参考信号和由PID控制器所生成的占空比控制信号之间的比较来驱动开关元件。例如，在SMPS采用双边缘调制的情况下，如图1中所示出的，参考信号可以以三角波形的形式来提供。在图1中，要在周期P1（开始于时间t=T1）中被使用的占空比控制信号SD的值S1在周期P0期间被生成。SMPS的DPWM将占空比控制信号SD与参考信号SRef相比较，并基于那个比较来为开关元件生成驱动信号SDrive。在图1的示例中，在SD超过SRef时，驱动信号SDrive处于高位，并且开关元件因此被开启。在以上所描述的常规SMPS中，在占空比控制信号值的演算和根据那个值的开关元件的切换之间存在参考信号的大约一个周期的延迟。这个延迟导致例如在负载瞬变响应方面降低SMPS的性能的相位损失。由于在过去已经可用的快速数字信号处理（DSP）电路和快速模拟到数字转换器（ADC）的相对高地功率耗用和硅面积，以上所描述的常规类型的SMPS控制器已经继续成为工业标准，不管以上概述的性能限制。然而，允许高速ADC和高速DSP被实现的CMOS工艺的领域中的技术性改进已经揭示以可负担的成本改进SMPS性能的可能性。更具体地，已经被开发的所谓的多速率控制器以是参考信号频率N倍的频率将反馈信号（例如，指示输出电压和参考信号之间的差异的误差信号）采样，并使用这个过采样的信号连同以更低频率采样的一个或更多其它信号来在参考信号的每个周期期间将开关元件切换多次（而不是一次，如在常规SMPS的情况中，其的操作在图1中被示出），因此降低前述的相位损失。为了实现良好的反馈回路响应并避免振荡，多速率SMPS控制器典型地采用衰减从SMPS的输出端传播到反馈回路的通常的电压纹波的过滤过程。电压纹波是SMPS的输出电压中的大体上周期性的振荡，其相对于SMPS的输出电压典型地是小的，并且其可作为通过SMPS的输出滤波器的输出交替波形的不完全的抑制的结果而发生。常规数字SMPS控制器通常使用适当配置的有限脉冲响应（FIR）或无限脉冲响应（IIR）滤波器（例如移动平均滤波器或抽选滤波器）通过将SMPS的输出电压（或误差信号，根据具体情况而定）过采样并并且操纵过采样的信号来衰减纹波成分。此类过滤过程促使过采样的信号的电压纹波成分被抑制，因此允许低带宽信号（即，由于瞬变的电压偏差）被得到以用于在输出电压调节中的使用。
技术实现思路
本专利技术人已经设计了用于以简单的方式生成用于控制SMPS的输出电压的占空比控制信号的多速率控制器，其自然地有助于例如增益调度应用。更具体地，本专利技术人已经设计了一种布置成生成用于控制SMPS的输出电压的占空比控制信号的控制器，SMPS布置成基于占空比控制信号和振荡参考信号来控制它的切换。控制器包括：采样模块，布置成以高于参考信号的频率的频率将指示所述SMPS的输出电压的信号采样；滤波器模块，布置成滤出所采样的信号的纹波成分以生成过滤的信号；以及比例积分微分PID控制器，布置成基于过滤的信号来生成占空比控制信号。PID控制器包括：第一组件，布置成以第一缩放因子来缩放过滤的信号的样本值以生成第一组件信号；降采样模块，布置成通过以参考信号的频率将基于所采样的信号的信号采样来生成降采样的信号；存储模块，布置成存储降采样的信号的值；第二组件，布置成通过演算第二缩放因子和差异信号的积的值来生成第二组件信号，第二组件布置成通过演算过滤的信号中的每个样本值与降采样的信号的所存储的值之间的差异来演算差异信号，PID控制器被布置使得差异信号的每个值表示基于由采样模块在参考信号的周期期间所得到的相应一个或更多样本的过滤的信号的相应值和基于由采样模块在参考信号的前面的周期中所得到的至少一个样本的降采样的信号的值之间的差异；第三组件，布置成以第三缩放因子来缩放降采样的信号，并累计所缩放的、降采样的信号的值以生成第三组件信号；以及求和模块，布置成通过将第一、第二和第三组件信号求和来生成占空比控制信号。本专利技术人已经进一步设计了一种布置成生成用于控制SMPS的输出电压的占空比控制信号的控制器，SMPS布置成基于占空比控制信号和振荡参考信号来控制它的切换。控制器包括：采样模块，布置成以高于参考信号的频率的频率将指示SMPS的输出电压的信号采样；滤波器模块，布置成滤出所采样的信号的纹波成分以生成过滤的信号；以及比例积分微分PID控制器，布置成基于过滤的信号来生成占空比控制信号。PID控制器包括：第一组件，布置成以第一缩放因子来缩放过滤的信号的样本值以生成第一组件信号；降采样模块，布置成通过以参考信号的频率将基于所采样的信号的信号采样来生成降采样的信号；存储模块，布置成存储降采样的信号的值；第二组件，布置成通过演算第二缩放因子与降采样的信号的所存储的值的积的值来生成第二组件信号；第三组件，布置成以第三缩放因子来缩放降采样的信号，并累计所缩放的、降采样的信号的值以生成第三组件信号；以及组合模块，布置成通过演算第二组件信号与第一和第三组件信号的和之间的差异来生成占空比控制信号，PID控制器被布置使得差异的每个演算的值表示以下项之间的差异：（i）基于由采样模块（150）在参考信号的周期期间所得到的相应一个或更多样本的第一组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制器（140），布置成生成用于控制开关式电源（100）SMPS的输出电压（Vout）的占空比控制信号（SD），所述SMPS（100）布置成基于所述占空比控制信号（SD）和振荡参考信号（SRef）来控制所述SMPS的切换，所述控制器包括：采样模块（150），布置成以高于参考信号（SRef）的频率（fRef）的频率将指示所述SMPS（100）的所述输出电压（Vout）的信号采样；滤波器模块（160；160‑2；160‑3），布置成滤出所采样的信号的纹波成分（R）以生成过滤的信号；以及比例积分微分PID控制器（170），布置成基于所述过滤的信号（SF）来生成所述占空比控制信号（SD），所述PID控制器（170）包括：第一组件（170‑1），布置成以第一缩放因子（Kp）来缩放所述过滤的信号的样本值以生成第一组件信号；降采样模块（170‑2），布置成通过以所述参考信号（SRef）的所述频率（fRef）采样基于所采样的信号的信号来生成降采样的信号（SDC）；存储模块，布置成存储所述降采样的信号（SDC）的值；第二组件（170‑5、170‑6），布置成通过演算第二缩放因子（Kd）和差异信号的积的值来生成第二组件信号，所述第二组件（170‑5、170‑6）布置成通过演算所述过滤的信号（SF）中的每个样本值与所述降采样的信号（SDC）的所存储的值之间的差异来演算所述差异信号，所述PID控制器（170）被布置使得所述差异信号的每个值表示基于由所述采样模块（150）在所述参考信号（SRef）的周期期间所得到的相应一个或更多样本的所述过滤的信号（SF）的相应值与基于由所述采样模块（150）在所述参考信号（SRef）的前面的周期中所得到的至少一个样本的所述降采样的信号（SDC）的值之间的差异；第三组件（170‑7、170‑8、170‑9），布置成以第三缩放因子（Ki）来缩放所述降采样的信号（SDC），并累计所缩放的、降采样的信号的值以生成第三组件信号；以及求和模块（170‑10），布置成通过将所述第一、第二和第三组件信号求和来生成所述占空比控制信号（SD）。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种控制器（140），布置成生成用于控制开关式电源（100）SMPS的输出电压（Vout）的占空比控制信号（SD），所述SMPS（100）布置成基于所述占空比控制信号（SD）和振荡参考信号（SRef）来控制所述SMPS的切换，所述控制器包括：采样模块（150），布置成以高于参考信号（SRef）的频率（fRef）的频率将指示所述SMPS（100）的所述输出电压（Vout）的信号采样；滤波器模块（160；160-2；160-3），布置成滤出所采样的信号的纹波成分（R）以生成过滤的信号；以及比例积分微分PID控制器（170），布置成基于所述过滤的信号（SF）来生成所述占空比控制信号（SD），所述PID控制器（170）包括：第一组件（170-1），布置成以第一缩放因子（Kp）来缩放所述过滤的信号的样本值以生成第一组件信号；降采样模块（170-2），布置成通过以所述参考信号（SRef）的所述频率（fRef）采样基于所采样的信号的信号来生成降采样的信号（SDC）；存储模块，布置成存储所述降采样的信号（SDC）的值；第二组件（170-5、170-6），布置成通过演算第二缩放因子（Kd）和差异信号的积的值来生成第二组件信号，所述第二组件（170-5、170-6）布置成通过演算所述过滤的信号（SF）中的每个样本值与所述降采样的信号（SDC）的所存储的值之间的差异来演算所述差异信号，所述PID控制器（170）被布置使得所述差异信号的每个值表示基于由所述采样模块（150）在所述参考信号（SRef）的周期期间所得到的相应一个或更多样本的所述过滤的信号（SF）的相应值与基于由所述采样模块（150）在所述参考信号（SRef）的前面的周期中所得到的至少一个样本的所述降采样的信号（SDC）的值之间的差异；第三组件（170-7、170-8、170-9），布置成以第三缩放因子（Ki）来缩放所述降采样的信号（SDC），并累计所缩放的、降采样的信号的值以生成第三组件信号；以及求和模块（170-10），布置成通过将所述第一、第二和第三组件信号求和来生成所述占空比控制信号（SD）。2.一种控制器（140），布置成生成用于控制开关式电源（100）SMPS的输出电压（Vout）的占空比控制信号（SD），所述SMPS（100）布置成基于所述占空比控制信号（SD）和振荡参考信号（SRef）来控制所述SMPS的切换，所述控制器包括：采样模块（150），布置成以高于参考信号（SRef）的频率（fRef）的频率将指示所述SMPS（100）的所述输出电压（Vout）的信号采样；滤波器模块（160；160-2；160-3），布置成滤出所采样的信号的纹波成分以生成过滤的信号（SF）；以及比例积分微分PID控制器（170），布置成基于所述过滤的信号（SF）来生成所述占空比控制信号（SD），所述PID控制器（170）包括：第一组件（170-1b），布置成以第一缩放因子（Kp+d）来缩放所述过滤的信号（SF）的样本值以生成第一组件信号；降采样模块（170-2），布置成通过以所述参考信号（SRef）的所述频率（fRef）将基于所采样的信号的信号采样来生成降采样的信号（SDC）；存储模块（170-12），布置成存储所述降采样的信号的值；第二组件（170-6），布置成通过演算第二缩放因子（Kd）和所述降采样的信号（SDC）的所存储的值的积的值来生成第二组件信号；第三组件（170-7、170-8、170-9），布置成以第三缩放因子（Ki）来缩放所述降采样的信号（SDC），并累计所缩放的、降采样的信号的值以生成第三组件信号；以及组合模块（170-10、170-13），布置成通过演算所述第二组件信号与所述第一和第三组件信号的和之间的差异来生成所述占空比控制信号（SD），所述PID控制器（170）被布置使得所述差异的每个演算的值表示以下项之间的差异：（i）基于由所述采样模块（150）在所述参考信号（SRef）的周期期间所得到的相应一个或更多样本的所述第一组件信号的相应值与基于已经由所述降采样模块（170-2）在所述参考信号（SRef）的前面的周期中所得到的所缩放的、降采样的信号的累计的值的所述第三组件信号的相应值的和；以及（ii）基于由所述采样模块（150）在所述参考信号（SRef）的前面的周期中所得到的至少一个样本的所述第二组件信号的值。3.根据权利要求1或权利要求2所述的控制器（140），进一步包括块移动平均滤波器（170-3），布置成演算由所述采样模块（150）在所述参考信号（SRef）的每个周期中所得到的样本的相应平均，所述降采样模块（170-2）布置成通过以所述参考信号（SRef）的所述频率（fRef）将由所述移动平均滤波器（170-3）所演算的所述移动平均采样来生成所述降采样的信号（SDC）。4.根据权利要求1或权利要求2所述的控制器（140），其中：所述降采样模块（170-2）布置成通过以所述参考信号（SRef）的所述频率（fRef）将所采样的信号采样来生成所述降采样的信号（SDC）；以及所述控制器（170）被布置使得用于演算所述第二组件信号的在所述参考信号（SRef）的周期期间已经被存储的所述降采样的信号（SDC）的所述值的由所述第二组件（170-5、170-6）的使用，被延迟直到所述参考信号（SRef）的随后的周期。5.根据权利要求1或权利要求2所述的控制器（140），其中所述滤波器模块（160；160-2；160-3）包括：纹波成分估计模块（162），布置成通过对于信号的多个样本的每个样本使用该样本值和在所述参考信号（SRef）的前面的周期中的对应点所得到的样本值来演算平均样本值以估计所述纹波成分，在所述对应点的每个点的样本与所述多个样本的所述样本以所述参考信号（SRef）的相应整数数量的周期被分开；移动平均演算模块（165），布置成通过对于信号的多个样本的每个样本演算预确定数量的前面的样本值的平均来演算所采样的信号的移动平均；以及减法模块（164-3），布置成通过演算所估计的纹波成分与所采样的信号和所演算的移动平均的和之间的差异来生成所述过滤的信号（SF），所述降采样模块（170-2）布置成通过以所述参考信号（SRef）的所述频率（fRef）将所述过滤的信号（SF）采样来生成所述降采样的信号（SDC），以及所述控制器（170）被布置使得用于演算所述第二组件信号的在所述参考信号（SRef）的周期期间已经被存储的所述降采样的信号（SDC）的所述值的由所述第二组件（170-5、170-6）的使用，被延迟直到所述参考信号（SRef）的随后的周期。6.根据权利要求1至4的任一项所述的控制器（140），其中所述滤波器模块（160；160-2；160-3）包括：纹波成分估计模块（162），布置成对于信号的多个样本的每个样本使用该样本值和在所述参考信号（SRef）的前面的周期中的对应点所得到的样本值来演算平均样本值以估计所述纹波成分，在所述对应点的每个点的样本与所述多个样本的所述样本以所述参考信号（SRef）的相应整数数量的周期被分开；以及减法模块（164；164-3），布置成通过演算所估计的纹波成分和所采样的信号之间的差异来生成所述过滤的信号（SF）。7.根据前述权利要求的任一项所述的控制器（140），其中所述采样模块（150）布置成以是所述参考信号（SRef）的所述频率（fRef）的整数倍的频率来将指示所述SMPS（100）的所述输出电压（Vout）的信号采样。8.根据权利要求5、6和7的任一项所述的控制器（140），其中所述纹波成分估计模块（160；160-2；160-3）布置成通过内插低通滤波器的使用来估计所述纹波成分。9.根据权利要求8所述的控制器（140），其中所述内插低通滤波器是内插有限脉冲响应滤波器。10.根据权利要求9所述的控制器（140），其中所述内插有限脉冲响应滤波器是内插移动平均滤波器。11.根据权利要求8所述的控制器（140），其中所述内插低通滤波器是内插递归移动平均滤波器。12.根据权利要求11所述的控制器（140），其中所述采样模块（150）布置成以频率N·fRef将指示所述SMPS（100）的所述输出电压（Vout）的信号采样，其中N是整数并且fRef是所述参考信号（SRef）的所述频率，以及所述内插递归移动平均滤波器包括：第一缩放模块（162-1），布置成接收所采样的信号的样本值并以因子1/k来缩放所接收的样本值的每个样本值，其中k是指示由所述纹波成分估计模块（162）所执行的所述平均样本值的演算中的所述参考信号（SRef）的周期的数量的整数；第二求和模块（162-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：M卡尔斯森，A拉斯森，T霍尔姆伯格，
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