用于DC/DC转换器的数字控制器制造技术

本发明专利技术提供了一种用于DC/DC转换器的数字控制器。实施方式的切换转换器包括电源级，其接收输入电压以将它转换成输出电压，并向可操作地耦接至电源级的负载提供负载电流。该电源级包括承载电感电流的电感器；以及数字控制器，其被配置为使用供给电源级的脉冲宽度调制（PWM）信号，将输出电压调节为接近基准电压的电平。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及切换转换器(switching converter,开关变换器)领域,具体地,涉及诸如降压转换器、升压转换器以及降压-升压转换器的DC/DC转换器的非线性数字控制。
技术介绍
在电子装置中，DC到DC切换转换器越来越多地用于将某一电平的DC输入电压转换成所期望的另一电平的DC输出电压。根据转换器拓扑(降压转换器、升压转换器等)，输出电压可低于或高于输入电压。在实际应用中，切换转换器的鲁棒控制可能是一挑战性任务，因为控制器必须应对不同工作模式(例如，连续导通模式CCM、不连续导通模式DCM、前馈补偿等)，这可能根据切换转换器提供的实际负载而改变。由于所需的模式变化(例如，当负载电流下降至很小值时的DCM到CCM)，所需负载电流的进一步突然变化可能导致不稳定。 稳健的控制器设计可能因此而相对复杂。必须检测模式变化且必须重新配置相应控制参数。然而，在某些情况下，模式变化仍导致输出电压中不期望的短暂干扰，且不稳定性仍可能发生，尤其是当转换器正工作在其极限范围内或正改变工作模式时。因此，对允许使由于负载变化和/或输入电压变化而引起的短暂干扰和不稳定性最小化的切换转换器的鲁棒控制的改进型DC/DC转换器及操作方法有持续需求。
技术实现思路
公开了一种切换转换器。根据本专利技术的一种实例，切换转换器包括电源级(powerstage)，其接收输入电压以将它转换为输出电压，并向可操作地耦接至电源级的负载提供负载电流。该电源级包括承载电感电流的电感器；以及数字控制器，其被配置为使用供给电源级的脉冲宽度调制(PWM)信号，将输出电压调节为接近基准电压的电平。PWM信号具有占空比，其中，控制器定期根据以下的一项或多项来计算数字滑动函数(digital slidingfunction):输出电压的数字表示、数字积分的输出电压值、电感电流的数字估计和数字斜坡信号值。根据所计算的滑动函数来设置PWM信号的占空比。附图说明参照以下附图和描述能更好地理解本专利技术。图中部件不一定按比例绘制，而是将重点放在了示出本专利技术的原理上。此外，在图中，类似附图标记指代相应部分。附图中图Ia和图Ib统称为图1，其示出了作为两种示例性切换转换器拓扑的降压转换器和升压转换器的电源级；图2示出了可用于控制切换转换器的所谓滑动模式控制的原理；图3示出了用于DC/DC转换器的一种示例性数字控制器；图4借助框图更详细地示出了图3的控制器的功能；图5示出了不同工作模式下降压和升压转换器的线圈电流；图6a和图6b统称为图6，其示出了用于补偿漂移效应的两种选择；图7示出了 DC/DC转换器的线圈电流和相应输出电压对负载的突然变化的响应；图8a和图8b统称为图8，其示出了图3和图4所示控制器结构的允许可变PWM频率的增强；图9示出了对图4所示控制器结构的替代控制器结构；以及图10示出了当使用图9的替代控制器设计时，DC/DC转换器的线圈电流和相应输出电压对负载的突然变 化的响应。具体实施例方式现将参照附图来描述一种或多种实施，其中，通篇类似附图标记用于指代类似元件。针对DC/DC (DC到DC)功率转换器公开了系统和方法，该DC/DC功率转换器包括非线性数字控制器，其被配置为从切换转换器电源级接收一个或多个反馈变量(例如，表示功率转换器输出电压和/或线圈电流)。非线性数字控制器被配置为从其中产生脉冲宽度调制(PWM)信号。图Ia和图Ib统称为图1，其作为一个实例示出了降压转换器电源级(图Ia)和升压转换器电源级(图Ib)的典型设计(降压转换器电源级和升压转换器电源级统称为DC/DC电源级I)。降压转换器电源级包括耦接在供电电位Vin (输入电压)与基准电位GND (对于单极输出电压)之间的功率晶体管半桥(低压侧开关SWu和高压侧开关SWHS)。两个晶体管的共用电路节点经由电感器L耦接至输出端。电容器C耦接在输出端与基准电位GND之间，以及负载(这里用电阻器Rwad表示)并联连接至电容器C。开关驱动器10接收PWM信号，并提供供给两个晶体管(即，低压侧开关SWu和高压侧开关SWhs)的栅极的相应驱动信号。通常，输出电压％和基准电压Vkef被反馈至控制器2 (图I未示出)。图Ib的升压转换器拓扑几乎与图Ia的降压转换器拓扑相同，唯一的差别在于电感器L (电感电流和高压侧开关SWhs互换。除降压转换器和升压转换器之外，已知有所谓的降压-升压转换器。例如，在 Everett Rogers:Understanding Buck-Boost Power Stages in Switched Mode PowerSupplies, Application Report, Texas Instruments, SLVA059A, re. Nov. 2002 中给出了对降压-升压转换器的很好的回顾，通过引用将其结合于此。根据耦接至功率转换器输出级(电源级)的负载，降压转换器和升压转换器两者均可工作在连续导通模式(CCM)或不连续导通模式(DCM)下。在上述引用的应用报告中也讨论了 DCM和CCM。人们可以看出，有几种功率转换器可工作的不同模式(例如，升压/CCM、升压/DCM、降压/DCM、降压/CCM)。已知控制器采用用于调节输出电压\的PID调节器(t匕例-积分-微分，短PID)。然而，在工作期间，当由于连接至电源级的输出的负载改变而需要模式改变(例如，CCM到DCM)时，PID调节器必须被重新配置。该重新配置是必要的，因为调节器通常基于对不同工作模式而不同的转换器的小信号模型。例如，当变为DCM时，PID调节器的“D”部件可被去激活，使得在DCM期间，该调节器作为PI调节器来有效工作。该控制器的重新配置导致了控制器设计的困难，因为需要检查许多边界条件，以确保稳定性和合适性能。此外，重新配置控制器需要一些时间，在这期间，系统工作在次最佳状态下，从而导致了不想要的短暂干扰。最终，在两种工作模式之间的过渡区，适当工作模式的选择可能很困难且会导致不稳定性。鉴于上述问题，当需要模式改变时，将期望有一种能够处理不同工作模式而无需重新配置控制器参数的统一控制器。基于电路部件(电感器L、电容器C)、用于数字化输出电压\的模数转换器(ADC)的所需PWM切换频率和采样频率来定义控制参数。所谓的滑动模式控制缓解了上述讨论的关于“经典"PID控制器的一些问题。当应用滑动模式控制时，从切换转换器的电源级的许多内部状态(统称为矢量X)来确定所谓的滑动函数S(X)。例如，滑动函数S(X)可如下选择S (x) = (V0 - Veef) + α 2 · iL+ α 3 · / (V0- VEEF) dt,(I)因此，线性组合了输出电压\和线圈电流L其中，PWM信号在下降到阈值THl以下时从低电平切换至高电平，以及在超过第二阈值TH2 (THKTH2)时从高电平切换至低电平。这可使用具有迟滞的比较器来实现。等式(I)中的第三(积分)项负责消除(很小的)稳态误差。这一方法提供了调节切换转换器输出电压\的良好性能，但PWM切换频率可能改变，这在电磁干扰(EMI)是关键因素以及电磁兼容性(EMC)是设计目标的应用中是不期望的，因为在这些情况下，知道干扰频率是有益的。 图2示出了说明根据等式(I)的滑动函本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切换转换器，包括：电源级，其接收输入电压以将它转换成输出电压，并向可操作地耦接至所述电源级的负载提供负载电流，所述电源级包括承载电感电流的电感器；以及数字控制器，其被配置为使用被供给所述电源级的脉冲宽度调制（PWM）信号，将所述输出电压调节为接近基准电压的电平，所述PWM信号具有占空比，其中，所述数字控制器根据至少以下来定期计算数字滑动函数：所述输出电压的数字表示、数字积分的输出电压值以及所述电感电流的数字估计，以及其中，根据所计算的数字滑动函数来设置所述PWM信号的占空比。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：马特奥·阿戈斯蒂内利，斯特凡诺·马尔西利，罗伯特·普里维瑟，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：