自适应数字电压调节器制造技术

一种数控ＤＣ／ＤＣ转换器包括：至少一个切换模式功率级，用于将输入电压（Ｖｉｎ）转换为输出电压（Ｖｏｕｔ）；功率级包括由具有时间分辨率△ｔ的控制装置导通和关断的至少一个可控切换装置。转换器还包括占空比控制机制，用于控制可控切换装置的占空比，占空比控制机制包括：用于估计输出电压误差的机制；用于估计目标占空比的机制；以及占空比量化机制，用于为目标占空比估计而确定适合于控制可控切换装置的量化导通时间／关断时间对的第一集合；以及选择器机制，用于通过逐循环地从根据所述第一集合导出的、至少两个量化导通时间／关断时间对的第二集合中选取导通时间／关断时间对，而确定所述可控切换装置的导通时间和关断时间，其中按照使得输出电压误差的幅值持续最小化的方式来进行选取。为补偿依赖于负载的寄生效应，持续地调整量化导通时间／关断时间对的第二集合，以确保在所有负载水平上的最优性能。

Adaptive digital voltage regulator

A digital DC / DC converter comprises at least one switching mode power level for the input voltage (Vin) into output voltage (Vout); power level which comprises a control device with time resolution of T turn-on and turn off at least one controllable switch device. The converter also includes a duty ratio control mechanism for controlling the controllable switching device of the duty ratio, duty ratio control mechanism includes: the mechanism is used to estimate the output voltage error is used to estimate the target; duty cycle mechanism; and the duty ratio is used as the objective quantitative mechanism, duty ratio estimation and determine the suitable quantitative control controllable switching device by the first set on time / off time of; and a selector mechanism, used by cycle time / from at least two quantitative guide according to the first set of export, off time of the second set of selected on-time / off time, and the controllable the guide to determine the switching device on time and off time, the amplitude of the output voltage according to the error minimization approach to continuous selection. To compensate for load dependent parasitics, the second set of quantization turn-on time / off time pairs is continuously adjusted to ensure optimum performance at all load levels.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及功率转换的领域，并且更具体地涉及数控切换模式 DC/DC转换器。
技术介绍
存在多种切换模式DC/DC功率转换器，其具有如下性质由转换器的功 率转换级内的可控切换装置的平均占空比(duty cycle)来确定平均输出电 压对输入电压的比。例子包括以连续条件模式(CCM)操作的降压(buck)、升 压、逆降压-升压、正向、以及回扫(flyback)转换器。当功率转换器上的负 载动态变化时，或当存在跟踪具有最小输出电压误差的负载中的改变的需要 时，通过连续估计输出电压误差(输出电压误差是原始(uncorrupted)输出 电压和期望输出电压之间的差)以及连续调整切换装置的占空比以补偿输出 电压误差估值中的负载条件表现(manifest)的改变，来实现这些转换器的调 节。在此情况下，调节的动作包括根据输出电压误差估值来逐循环地控制切 换装置的占空比，使得输出电压误差的幅值持续最小化。已知为脉宽调制(P丽)调节器的用于此目的的调节机制通常合并了脉宽 控制机制和占空比控制机制，其中前者生成适于实现由后者生成的占空比的 ON脉冲。由此，占空比控制机制合并了用于估计目标占空比(目标占空比 是实质上用来实现期望输出电压的占空比)的机制。目标占空比估计机制通 常是由输出电压误差驱动的反馈机制，但其也可能是由输入电压驱动的前馈机制，或这两者的组合。最常使用的脉宽控制机制性质上是模拟的；也就是说，它们接收代表期 望占空比的连续可变模拟信号作为输入，并且它们输出连续可变宽度的脉 冲。如在其他目前的模拟领域中，集成电路技术的不断进步已将数字:f支术的应用增加到功率转换的领域。结果，已开发出替代模拟P丽调节器的第一数 字PWM调节机制，并且正在商业化。这样的机制的性质是量化所生成的脉宽 -数字调节机制的时间分辨率的结果。如果调节机制的时间分辨率是△ t ，则脉宽被约束到At的整数倍数。另外，跨越连续的ON和OFF脉冲的切换 循环也被约束到△t的整数倍数。对于可能将数字PWM调节机制应用于功率转换器(尤其是在电池供电的 移动应用中采用的DC/DC转换器)的人们而言， 一个挑战是通过数字调节机 制来实现可接受的应用性能的挑战。脉宽的量化转变为量化的占空比，这约 束了任何占空比控制机制将输出电压波动限制到任意的应用专用电平的能 力。为理解此挑战的性质，考虑电池供电的移动应用中的DC/DC转换器。一 般在1MHz左右设置切换频率，以最小化离散组件的尺寸和代价，并且最大 化转换器的操作效率。由此，以16MHz操作的数字P観调节机制将能够生成 0、 1/16微秒、2/16微秒、3/16微秒…16/16微秒的脉宽。假设固定切换频 率，将采用17个瞬时占空比(包括0和1)。 一种用于调节输出电压的方法 将会在两个量化的占空比之间交替， 一个小于目标占空比，另一个大于目标 占空比。在此概念的一个实施例(比较美国专利6677733 )中，占空比控制 机制检查当前的输出电压误差估值，并且如果它是正的，则对于切换装置的 下一循环，选择较小的占空比。类似地，如果当前的输出电压误差估值是负 的，则其对于切换装置的下一循环，选择较大的占空比。然而，在其最佳状 态，此占空比控制机制不能够将输出电压波动限制在可接受的等级，在此情 况下，调节器的制造商唯一明显的求助是改善调节机制的时间分辨率，即， 提高时钟频率。即使波动在静态线和负载条件下可容忍，由于在存在增加的(尽管可容 忍)的波动的情况下提供准确的输出电压反馈的困难，在动态负载条件下也 存在难以调节的挑战。在此情况下，调节器的制造商唯一明显的求助以最小 化波动而不会影响动态性能是提高时钟频率。但是提高时钟频率来减轻量化对输出电压误差(静态和动态)的影响， 可能危及代价和效率度量。例如，数字调节机制的复杂度以及随之而来的代 价很可能增加，也造成功率浪费。此外，如果对提高时钟频率的需要妨碍了 数字调节机制与其他电子组件的集成(在基底级上)，则增加的代价和功率 浪费将会进一步翻倍。很清楚，存在只为了在多种DC/DC转换器中实现可接受的输出电压误差 (静态和动态)的目的而减轻对更高的时钟频率的要求的数字控制方法的需 要。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供减轻对只为了在多种DC/DC转换器中实现可接 受的输出电压误差(静态和动态)而要求更高的时钟频率的数字控制方法。 为此，公开了一种数字占空比控制机制，包括用于估计输出电压误差的机制；用于估计目标占空比的机制，新颖的占空比量化机制，用于确定用来调节输出电压的一个或多个导通时间/关断时间对的第一集合，以及新颖的 输出电压误差驱动的选择器机制，用于通过从根据第 一集合导出的两个或更和关断时间。根据如下认识得出占空比量化机制的新颖性由量化切换循环(作为连 续的导通和关断时间的和的循环)的序列而产生的输出电压波动随着可用来 生成该序列的量化切换循环的数目的增加而减少；以及，在标称负载条件下， 可通过逐循环地放松(现有技术)所有切换循环为固定长度的前提，来扩展 可用的数目。例如，如果允许切换循环按照数字调节机制的时间分辨率来伸 缩，则可用的切换循环的数目增加三倍(three-fold)，同时具有相比减少输 出电压波动的潜力。根据如下认识得出选择器机制的新颖性，在时间量化的切换环境下，控 制切换器的反馈机制基本上限于其可在切换器的每次循环中提供的有用信 息的量。例如，实现传统的固定频率脉宽调制的数字调节机制可逐循环地提 供4个位那么少。在这些环境下，当不可能(即使在稳定状态下)形成将输 出电压误差精确地驱动为O所需宽度的脉冲时，关键的是能够按照先前引用 的现有技术的教导来在误差改变符号时选取适合于将误差向回驱动到0的量化脉冲。换言之，即时输出误差反馈必须可用于在时间量化的环境下高效 操作，即使其可靠性被限制到1位 当将这些认识组合到用于根据估计的目标占空比来确定用于调节l命出电 压的 一个或多个量化导通时间/关断时间对的第 一 集合的占空比量化才几制、 以及用于通过从根据第 一集合导出的两个或更多个量化导通时间/关断时间 对中逐循环地选取而确定切换装置的导通时间和关断时间的新颖的输出电 压误差驱动的选择器机制时，可降低由于量化引起的波动以及反馈路径中的 延迟。为解释后一点，选取导通时间/关断时间对而不是导通时间，这意味着必须将选取分解为两个选取导通时间和关断时间；并且，可实质上即时 地采用在导通时间期间和在关断时间期间测量的反馈，以调节输出电压。 根据本专利技术，提供了 一种借助于切换模式DC/DC转换器来将输入电压转 换为输出电压的方法；借助于包括由控制装置导通和关断的至少一个可控切 换器的功率级，来将输入电压转换为输出电压，其特征在于，由于控制装置 的时间分辨率(At)，可控切换装置的导通时间和关断时间这两者都:f皮约束为 △ t的整数倍数。此方法的中心是用于控制可控切换装置的占空比的占空比控制才几制，该 占空比控制装置包括用于估计输出电压误差的机制；用于估计目标占空比 的机制；以及用于为目标占空比估计而确定适合于控制所迷可控切换装置的 至少一个量化导通时间/关断时间对的第一集合的占空比量化机制(DQ)，其特 征在于，彼此独立地确定(所述第一集合中的)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生至少一个输出电压（Ｖｏｕｔ）的切换模式ＤＣ／ＤＣ转换器，包括：至少一个功率级（ＰＳ），用于将输入电压（Ｖｉｎ）转换为输出电压（Ｖｏｕｔ），每个功率级包括至少一个可控切换装置（ＣＳ）；以及控制装置（ＣＤ），用于导通和关断所述可控切换装置（ＣＳ），其特征在于由于所述控制装置的时间分辨率△ｔ，所述可控切换装置（ＣＳ）的导通时间和关断时间这两者都被约束为△ｔ的整数倍数；以及占空比控制机制（ＤＣ），用于控制所述可控切换装置的占空比，包括：用于估计输出电压误差的机制，所述输出电压误差是原始输出电压与期望输出电压（Ｖｄｏ）之间的差；以及用于估计目标占空比的机制，所述目标占空比是实质用来实现期望输出电压（Ｖｄｏ）的占空比；以及占空比量化机制（ＤＱ），用于为目标占空比估值而确定适合于控制所述可控切换装置的至少一个量化导通时间／关断时间对的第一集合，其特征在于（所述第一集合中的）每个对的量化导通时间和关断时间的和被约束为离散值的集合｛Ｔｓｗｉ｝（ｉ＝１、２、…Ｉ），其中Ｉ是正整数，并且Ｔｓｗｉ是△ｔ的整数倍数；以及选择器机制（ＳＭ），用于通过逐循环地从根据所述第一集合导出的且被类似地约束的、至少两个量化导通时间／关断时间对的第二集合中选取导通时间／关断时间对，而确定所述可控切换装置的导通时间和关断时间，其中按照使得输出电压误差的幅值持续最小化的方式来进行所述选取。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗F金，
申请(专利权)人：基亚维福里斯特有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]