專利名稱：在電流瞬變期間保持最大平電壓的脈沖寬度調(diào)制序列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般在控制系統(tǒng)的領(lǐng)域中。更明確地說，本發(fā)明在控制系統(tǒng)中的脈沖寬度調(diào)制使用領(lǐng)域中。本說明書這里以數(shù)字受控電源而舉例說明本發(fā)明，該數(shù)字受控電源在有寬范圍電流瞬變的情況下實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
最近，半導體集成電路制造過程的進步已經(jīng)導致集成電路要求用于各種部分的分離電源，這些分離電源包括用于輸入/輸出衰減器環(huán)路
的電壓、和用于數(shù)字芯部的第二獨特電源電壓。盡管這種進步帶來減小芯部功率消耗的優(yōu)點，但出現(xiàn)這些添加電壓的調(diào)節(jié)問題。隨著系統(tǒng)級芯片技術(shù)的出現(xiàn)，這些裝置的設(shè)計者才開始提出用來調(diào)節(jié)多電源域
級芯片的這種要求。美國專利6,940,189提出了 一種數(shù)字開環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)的實施，作為降低成本和提高整個系統(tǒng)級芯片解決方案的功率效率的最佳裝置。上述參考專利沒有解決在開關(guān)^^莫式電源的階躍響應(yīng)中的超調(diào)問題，該開關(guān)模式電源供電芯部(core)電壓域。美國專利申請11/549,586介紹了一種產(chǎn)生近臨界阻尼階躍響應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制序列，該近臨界緩沖階躍響應(yīng)解決了在電壓瞬變期間的超調(diào)問題，以及建議將同一算法用于電流瞬變。然而，電流瞬變范圍和設(shè)備元件參數(shù)范圍的限制存在，超越這些限制，在參考專利申請11/549,586內(nèi)的算法維持得比最大平電壓小。
因此，存在有對于新穎脈沖寬度調(diào)制算法的需要，該新穎脈沖寬度調(diào)制算法適用于寬范圍的設(shè)備元件值和輸出電流的較大變化數(shù)值，并因而克服了響應(yīng)電流瞬變的電壓不穩(wěn)定問題，由此提供供電負載的最大平電壓，這些負載典型地要求精確調(diào)節(jié)，如半導體芯部。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明指向 一種新穎但容易理解的算法，該算法借助于由本技術(shù)領(lǐng)域的普通控制工程師普遍使用的工具實施。本發(fā)明描繪一種產(chǎn)生特定脈沖寬度調(diào)制序列的簡單算法，該特定脈沖寬度調(diào)制序列在二階或更高階線性或非線性系統(tǒng)中維持最大平電壓，該二階或更高階線性或非線性系統(tǒng)否則響應(yīng)電流瞬變將呈現(xiàn)顯著的電壓不穩(wěn)定性。本發(fā)明在集成多個電源電壓域的半導體芯片時舉例說明算法的使用，該多個電源電壓域具有開環(huán)或閉環(huán)開關(guān)模式直流-直流變換器，以得到最佳功率節(jié)省、及最小熱量耗散和元件成本。
另外，本發(fā)明不限于對于示范系統(tǒng)的應(yīng)用。本發(fā)明可以應(yīng)用于在
何二階或更高階系統(tǒng)的控制。在數(shù)學相似的脈沖開環(huán)控制下的任何電氣、機械或機電系統(tǒng)特別可以從本發(fā)明受益，借此，沒有本發(fā)明，開環(huán)控制可能導致不能接受的輸出不穩(wěn)定性，因而使這樣一種布局是不希望的，并且這樣的開環(huán)布局的成本利益和實施的容易不可實現(xiàn)。本
發(fā)明僅設(shè)置+/-10%容差的控制設(shè)備元件值的使用的設(shè)計要求和系統(tǒng)
負載的合理準確估計，依據(jù)控制系統(tǒng)的負載調(diào)節(jié)規(guī)格和設(shè)備參數(shù)具有
+/-20%的容差。
圖l表明按照本發(fā)明一個實施例的示范結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2表明描述脈沖序列的一般公式，該脈沖序列在實際系統(tǒng)中在
任何方向上在電流瞬變期間導致最大平電壓。
圖3表明在電流瞬變期間假想系統(tǒng)輸出電壓的兩種時域曲線。圖4表明在本發(fā)明 一個實施例的控制下工作的示范系統(tǒng)中的可能
過渡的時域曲線。
圖5表明在本發(fā)明一個實施例的控制下工作的示范系統(tǒng)中的可能
過渡的時域曲線。圖6表明在本發(fā)明一個實施例的控制下工作的示范系統(tǒng)中的可能 過渡的時域曲線。
圖7表明在本發(fā)明 一個實施例的控制下工作的示范系統(tǒng)中的可能 過渡的時域曲線。
圖8表明在本發(fā)明一個實施例的控制下工作的示范系統(tǒng)中的可能 過渡的時域曲線。
圖9表明在本發(fā)明一個實施例的控制下工作的示范系統(tǒng)中的可能 過渡的時域曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及一種在固有欠阻尼系統(tǒng)中在電流瞬變期間使用脈沖 寬度調(diào)制技術(shù)來維持最大平電壓的控制系統(tǒng)和算法。如下描述包含關(guān) 于本發(fā)明的各個實施例和實施方式的具體信息。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將 認識到，人們可以按與在本說明書中明確地描繪的不同的方式實踐本 發(fā)明。如下附圖和它們的伴隨詳細描述用作本發(fā)明的僅僅示范性的而 不是限制性的實施例。
圖l表明本發(fā)明示范實際實施例的示意圖。塊100代表在本發(fā)明 的示范實施例中用設(shè)備元件的物理模型實施的控制設(shè)備。在塊IOO內(nèi) 的示范實施例包括典型的降壓開關(guān)模式電源元件，這些元件構(gòu)成本領(lǐng) 域的技術(shù)人員熟知的典型并聯(lián)諧振LRC電路。在塊100中，來自標 為Vgdrvr 101的脈沖寬度調(diào)制控制器的模型的輸出驅(qū)動物理晶體管 104、 105的柵極。稱做Vswl06的節(jié)點連接標為L107的電感器和標 為C 109的輸出電容器，該電感器和電容器形成能量存儲和濾波元件， 這些元件把切換的Vin 103變l灸成標為Vcore 108的直流輸出。Vcore 108向負載供電，該負載在這個示范實施例中為半導體芯部，該半導 體芯部對于其離散預(yù)定功率狀態(tài)的每一種抽取各種電流量的一種，在 塊100中建模為標有Rlll的電阻器以及標有ILoad 110的分段線性 時域模型負載。示意塊100對地102直接地或通過直接聯(lián)接元件間接 地給所有元件加附圖標記。參考專利申請11/549,586解釋了兩種情形，用于在這樣一種模型IOO和類似系統(tǒng)中從一種離散預(yù)定功率狀態(tài)到下
一個的電壓和電流過渡的欠阻尼和臨界阻尼響應(yīng)。此外，本發(fā)明擴展 脈沖寬度調(diào)制序列的規(guī)格，以指向在存在從一種離散預(yù)定功率狀態(tài)到 下一個的寬數(shù)值范圍的任一個的電流變化的情況下盡可保持不變的輸
出電壓Vcore 108的特性。
圖2重述來自參考專利申請11/549,586的公式200，來自柵極驅(qū) 動器和脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr 101的輸出信號的一般形式。在公 式200中，變量Xm(t)標識描述從脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr 101輸 出的脈沖的時域函數(shù)，該脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr 101對于在參考 專利申請11/549,586中的電路導致臨界阻尼階躍響應(yīng)。這里在本發(fā)明 的本說明書中，圖2的公式201擴展公式200，從而借助于公式201， Xm(t)現(xiàn)在可以提供在電流瞬變期間最大平輸出電壓Vcore 108形式的 增強響應(yīng)。參考說明書和本發(fā)明的說明書都具有通常定義的大部分變 量和系數(shù)，除在這個段落和以后段落中提到的之外。
在公式200至206中的下標m是指對于在m指示的系統(tǒng)狀態(tài)中 的每種過渡與唯一輸入x"t)相關(guān)聯(lián)的唯一響應(yīng)ym(t)，其中p指示離 散功率狀態(tài)。因而，這些公式描述對于從任何離散功率狀態(tài)p行進到 任何下個功率狀態(tài)p+l的任何任意過渡m維持最大平輸出電壓Vcore 108的手l殳。
在公式200和201中，Vswl06代替Vin 103，因為參考專利申請 11/549,586引入補償通過物理切換元件的動態(tài)損失的系數(shù)，Ade(p)，并 因而允許公式200和201保持在公式中給出的數(shù)學精度，否則對于整 個系統(tǒng)分析包括Vin 103。
離散變量n，在公式200和201中的求和指標，代表計數(shù)切換周 期Tsw的離散時間指標，該切換周期Tsw是切換頻率的倒數(shù)。n的值 等于零與在任何時間t0處發(fā)生的功率狀態(tài)過渡的開始相重合，不必假 定過渡在t-O處發(fā)生。參考美國專利6,940,189認定，這樣一種系統(tǒng)的 設(shè)計者完全特征化負載，該負載對于在發(fā)展下的示范系統(tǒng)是在過程、 溫度、及輸入電流和電壓的所有容限中工作的半導體芯部。因而公式201引入離散變量no，借此脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr 101可以預(yù)測
在由用于no的負值數(shù)學定義的功率狀態(tài)下的預(yù)定過渡，并由此提供適
當脈沖序列以保證跨過電流瞬變的最大平電壓。參考專利申請
11/549,586引入離散變量nn該離散變量指示其中工作循環(huán)初始呈
現(xiàn)其最終值以便得到希望電壓增益給定值的切換周期Tsw的整數(shù)。在
參考專利申請11/549,586中，發(fā)明人認定，等于ih乘以在給定值脈沖
寬度處的Tsw的這個初始持續(xù)時間段提供啟動近臨界阻尼階躍響應(yīng)的
精確功率量。用于本發(fā)明的本說明書現(xiàn)在聲明，等于w乘以在給定值
脈沖寬度處的Tsw乘以AIerr(m)(補償影響其它恒定電壓的極值電流瞬
變的系數(shù))的初始持續(xù)時段，如在公式201中應(yīng)用的那樣，現(xiàn)在提供
保證最大平電壓的精瑜功率量。本說明書以后將進一步描述AIerr(m)。
在公式200和201中的離散變量112表示指數(shù)定標函數(shù)的施加與人們把
定標施加到工作循環(huán)上的時間的時間偏移。因此在/>式200和201中
的離散變量1^和112分別實現(xiàn)時間域的粗和細調(diào)諧的產(chǎn)生目的，以將
系統(tǒng)電流瞬變響應(yīng)， 一旦被調(diào)諧，就帶到更接近最大平電壓。人們可
以將值N (在Z/^式200和201中求和的實際上限)-f見作與當對于在脈
沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr 101精度內(nèi)脈沖寬度已經(jīng)到達希望給定值
脈沖寬度時重合的切換周期Tsw的數(shù)量。例如，指數(shù)定標函數(shù) <formula>formula see original document page 10</formula>其中e表示等于自然對數(shù)的基數(shù)的常數(shù)，當
n+n2=N時等于99%,在該時間點(n+n2)Tsw處，脈沖寬度以不好于1% 的精度已經(jīng)達到用于脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr 101的希望給定值 寬度的99%。
盡管在其最嚴格數(shù)學意義上，u(t)不能滿足函數(shù)的要求，但工程 師已經(jīng)將u(t)稱作單位階躍強制函數(shù)，作為廣泛接受的技術(shù)，并且本 說明書將在下文中以這樣一種常規(guī)方式使用u(t)。
圖2的公式200和201呈現(xiàn)定義為脈沖寬度的周期的TSet(p)，該 周期提供用于給定離散功率狀態(tài)p的希望給定值。對于開環(huán)控制系統(tǒng)，
Tset(p)等于切換周期Tsw乘以理想電壓增益Av(p)乘以動態(tài)誤差補償系
數(shù)(在參考專利申請11/549,586中所給出的ADE(P)。參考專利申請11/549,586把理想電壓增益Av(p)定義為等于Vcore 108除以Vin 103， 假定沒有通過物理切換元件的損失。參考專利申請11/549,586也把
ADE(p)定義為補償由來自在所述切換元件中的非理想物理特性的功率
損失引起的動態(tài)誤差的系數(shù)，在過渡已經(jīng)安置到下個離散功率狀態(tài)的 穩(wěn)態(tài)之后等于Vcore 108除以量Vin 103乘以Av(p)。上述系數(shù)的兩個 在給定系統(tǒng)中都作為多個特例存在， 一個對于由指標p唯一標示的每
個離散功率狀態(tài)。對于閉環(huán)控制系統(tǒng)，Tset(p)等于切換周期Tsw乘以理
想電壓增益Av(p)乘以動態(tài)誤差補償系數(shù)，Ade(p)乘以Atp(p)。系數(shù)Atp(p) 包括當供電半導體芯部時對于給定離散功率狀態(tài)通過邏輯延遲鏈的實 際傳播延遲相對于通過邏輯延遲鏈的期望最壞情形傳播延遲的比值加 上安全裕量，如在參考專利申請11/549,586中描繪的那樣。在本發(fā)明
的本說明書中使用Tset(p)的這兩種定義，公式201因而應(yīng)用于開環(huán)和
閉環(huán)控制系統(tǒng)，如來自參考專利申請11/549,586的公式200那樣。不 過現(xiàn)在，本發(fā)明這樣做，以便在電流瞬變期間借助于作為公式200的 自然擴展的公式201維持最大平電壓。
給定Tset(p)的以上定義，人們可容易理解在公式200和201中變
量口Tset(m)的使用。人們可以最簡明地把口Tset(m)定義為在由指標m唯一 標識的狀態(tài)過渡期間脈沖寬度周期的變化，該狀態(tài)過渡是從由指標p 唯一標識的一種系統(tǒng)功率狀態(tài)到由指標P+1唯一標識的下一個系統(tǒng)功 率狀態(tài)，從而所述口Tset(m)等于Tset(p+D減TSet0})。盡管參考專利申請
11/549,586要求數(shù)值l口Tset(—l提供裝置，以基于過渡的對稱性減小實施 脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr 101必需的復雜性和資源，但這里的討論 把這個變量主要用作在公式201內(nèi)的簡化符號。
公式200和201的兩個剩余變量，t和口c，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng) 該立即識別為單位為秒的時間、和單位為弧度每秒的諧振頻率，分別 通常已知最直接地等于1加L 107乘以C 109的值的平方根。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的實質(zhì)差別和顯著新穎性存在于優(yōu)選實施例
中，其中在公式201中 和A^r(m)的使用使系統(tǒng)能夠在較大數(shù)值的電
流瞬變期間維持最大平電壓，或者使對于普通電流瞬變呈現(xiàn)較大電壓
ii不穩(wěn)定性的值的控制設(shè)備元件比公式200更佳地維持最大平電壓。顯
然把n。設(shè)置成等于0和把A^r(m)設(shè)置成等于1把公式201簡化成公式
200，基于/>式200的有效性的以前證據(jù)進一步證明有效性。現(xiàn)在本說 明書將進一定義AIerr(m)，并且公開把其值近似成在電流瞬變期間實現(xiàn) 最大平電壓目的的簡單裝置。
公式206基于對于在公式204中所定義的Aver^)實驗求出的值估
計Akrr—)的值。參考專利申請11/549,586揭示諸如計算機電子表格程
序之類的工具的使用，該計算機電子表格程序產(chǎn)生用在對于本領(lǐng)域的
技術(shù)人員通常稱作SPICE的Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(特別為集成電路仿真的程序)內(nèi)的模擬代碼。SPICE 代碼產(chǎn)生的觀念提到 一種響應(yīng)電流瞬變確認電壓平度的快速方法，而 參考專利申請11/549,586也建議一種數(shù)學計算工具，該數(shù)學計算工具 可以進行諸如巻積之類的運算，該運算同樣可完成響應(yīng)電流瞬變確認 電壓平度的任務(wù)。包括SPICE的使用的手段供給在由這樣的零件的銷 售商物理特征化的庫內(nèi)通常具有設(shè)備元件的圖形或語法符號的優(yōu)點， 借助于它們用戶按分層方式更直接地模擬較高階系統(tǒng)，而不是關(guān)于在 有疑問精度的特性模型上的數(shù)學工具花費精力。盡管如此，在對于一 定用途或許較少產(chǎn)的時候，進行符號巻積的數(shù)學計算工具的使用在一 定用途中可能擁有優(yōu)點，或者提供系統(tǒng)建模的唯一手段，并因而完全 保持在本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。包括SPICE模擬的分析和確認的迭代 過程確定電流的任何變化如何實質(zhì)地影響輸出電壓Vcorel08;和因 而過渡m在公式201描述的過渡函數(shù)內(nèi)，是否要求等于除一之外的某
值的A][err(m)和等于除0之外的某值的n。的值的應(yīng)用。借助于SPICE ， 人們可以迅速地確定Averr(叫的值，如在公式204中用符號和在圖3的
假想時域曲線300和310中用圖形描繪的那樣，并且由此使用公式205
估計Lm的值，以便在迭代分析和確認模擬過程中逼近A^—)和簡化 Averr(m)。
圖3表明假想電流過渡的兩條時域曲線300和310,在曲線300 中電流瞬變302從較低到較高功率狀態(tài)，并且電流瞬變312從較高到較低功率狀態(tài)。在前一假想過渡中，電壓301響應(yīng)這種電流瞬變302 下降，并且人們通過確定在尺寸線303和304之間的電壓差，可以測 量在公式204中由函數(shù)maxlV4t)-Vset—)l符號表示的下降301的幅值。 把在尺寸線303處的電壓值從在尺寸線304處的電壓值減去然后把該
量除以在尺寸線303處的電壓值產(chǎn)生用于Averr(m)的值，如在^^式204 中表示的那樣，在這種情況下小于零。由于Averr間在這個例子中獲得 負值，并且Lm總是估值為大于零，所以這保證Akrr(m)獲得由公式206
給出的稍些大于一的值，以便補償由電流瞬變302引起的下降301。 以類似方式，后一曲線310的假想過渡，電壓311響應(yīng)從較高到較低 功率狀態(tài)的電流瞬變312而卑起。同樣，人們通過確定在尺寸線313 和314之間的電壓差，可以測量波峰311的幅值。把在尺寸線314處 的電壓值從在尺寸線313處的電壓值減去然后把該量除以在尺寸線
314處的電壓值產(chǎn)生用于Averr(—的值，如在公式204中表示的那樣，
在這種情況下大于零。再一次，公式206提供對于A^間的最好估計。
由于Aver—)在這個例子中荻得正值，并且U總是估值為大于零，所 以這保證Aw—)獲得由公式206給出的稍些小于 一 的值，以便補償由
電流瞬變312引起的波峰311。在這些逼近方法中人們可以考慮幾個 點，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在公式205中Lm估計的變化精度。對于數(shù)值小于
5%的Averr(m)的值，在7>式204至206中詳細說明的方法產(chǎn)生小于1.5% 幅值波動的結(jié)果，而結(jié)果雖然大大地好于應(yīng)用A^r(m)前，但給定大于 25%的未補償AVerr(m)，對于Averr(—可最好地收斂在正好5。/。內(nèi)。人們 在高數(shù)值電流瞬變或在提供A^—)補償之前的極端電壓不穩(wěn)定的這些 情況下將立即觀察到，在公式201中的項Tset(p+D(A^r(m))可以獲得小
于零或大于Tsw的值，這直接意味著對于脈沖寬度調(diào)制控制器Vgdrvr 101的脈沖跳過模式。在模擬分析和確認過程中的進一步迭代允許人 們確定n。是否應(yīng)該獲得小于零的值，或者Lm是否應(yīng)該獲得對于這 些極端電壓不穩(wěn)定情形的較小估計。本說明書以后將進一步檢查最大 平度和在上述過程中涉及的其它標準。
圖4至圖9提供在模擬期間來自變化物理參數(shù)的結(jié)果，并因而在
13實際可實現(xiàn)系統(tǒng)中進一步定義響應(yīng)電流瞬變的輸出電壓的"最大平 度"。本發(fā)明的本說明書下文將使用符號Aver—)指在提供A^(m)和n0 補償之前的電壓不穩(wěn)定幅值，并且Av^—)，指在應(yīng)用以前描述技術(shù)的 任一種之后的電壓不穩(wěn)定幅值。圖4表明對于本發(fā)明的示范實施例來
自包括兩個功率過渡狀態(tài)的模擬的時域響應(yīng)曲線400。如在從圖4的 曲線400開始至圖9的響應(yīng)曲線900(包括圖4和圖9)的所有響應(yīng)曲 線中表示的那樣，左豎直軸403顯示施加的安培的刻度，圖例402指 示進入在圖1的示意圖100中的才莫型負載ILoad 110和R 111中的電 流之和。ILoadllO在圖4至圖9 (包括圖4和圖9)的所有這些曲線 400至900中在模擬時間100微秒處以+/-20安培每微秒的速率過渡。 對于所有這些曲線400至900 (包括曲線400和900)普遍的是，沿右 豎直軸406出現(xiàn)對于按與給定值的偏離百分比給出的電壓幅值的標準 化給定值刻度。在圖4至圖9(包括圖4和圖9)中的所有曲線的水平 軸401都顯示微秒的時間單位。對于在圖4的曲線400和圖5的曲線 500中的這些具體例子，圖例405將2.7伏特的物理值附加到標準化給 定值上。圖4的曲線400描繪為，負載電流404在電壓407升高到其 給定值的同時首先升高到300毫安，然后在IOO微秒處進入模擬，電 流404升高到一安培。參考專利申請11/549,586徹底公開了具體地對 于升高到其呈現(xiàn)近臨界阻尼階躍響應(yīng)的給定值的電壓407用來控制第 一過渡的技術(shù)，并因此本說明書將不再進一步討論這種過渡。在曲線 400中，當電流404從300毫安過渡到在100孩吏秒才莫擬時間處的一安 培時，電壓407顯示象征電源系統(tǒng)的下降408。曲線400的才莫擬與在 圖1的示意圖100中建模的設(shè)備元件有關(guān)，這些設(shè)備元件具有L 107 等于1口H、 C109等于22口F以及Vinl03等于六伏特的值。在從圖4 至圖9 (包括圖4和圖9)的所有^t擬中的切換元件，晶體管104和 105,包括雙互補場效應(yīng)晶體管包，從Vishay Siliconix Corporation 可買到的Si5513DC、以及對于這對晶體管104、 105物理特征化的 SPICE模型。在公式204、 205、 206的應(yīng)用之前，八^ (110等于-3.91%， 這對于大多數(shù)系統(tǒng)或許位于調(diào)節(jié)極限內(nèi)，但在應(yīng)用上述7>式時，Averr(m)，改進到-1.35。/。。在收斂到AVerr0 )，的這個值時，公式201獲得
如下系數(shù)no等于零，w等于三，n2等于六，及Lm等于2.33。
圖5的曲線500表明基于與圖4的曲線400的那些相等效的設(shè)備 參數(shù)的模擬的結(jié)果。與曲線400相比在曲線500中的唯一差別表現(xiàn)為 從較高進行到較低功率狀態(tài)的電流過渡504，并因而電壓507顯示波 峰508。在這個瞬時，Aver—)等于3.99%,這同樣對于大多數(shù)系統(tǒng)或 許位于調(diào)節(jié)極限內(nèi)，但在公式204、 205、及206的應(yīng)用時，AVerr(m)， 改進到1.34%。在曲線400和曲線500中的電壓測量都顯示等于在測
量誤差的極限內(nèi)。在收斂到Av^(m)，的這個值時，公式201再次獲得
如下系數(shù)n。等于零，w等于三，112等于六，及Lm等于2.33。
圖6的曲線600的模擬與在圖1的示意圖100中建模的設(shè)備元件 有關(guān)，這些i殳備元件如以前那樣具有L 107等于1口H、和C109等于 22口F的值。不過現(xiàn)在，Vin 103等于3.3伏特，并且負栽電流604在 電壓607升高到其1.8伏特的給定值的同時首先升高到100毫安，然 后在100 ^:秒處進入^f莫擬，電流604升高到一安培。下文對于在圖6 的曲線600至圖9的曲線900 (包括圖6和圖9)中的這些具體例子， 圖例605將1.8伏特的物理值附加到標準化給定值上，該標準化給定 值按與在右豎直刻度406上的給定值的百分比偏差而給出。對于這個
具體的條件組，Averr(叫等于-6.82。/。。因此，這個數(shù)值的電壓不穩(wěn)定性
要求公式204、 205、 206的使用，以便響應(yīng)給定電流604過渡而收斂 到最大平電壓。在這個實例中，設(shè)計者選擇比在Lm等于八的公式205 中定義的估計值低的估計值，并且獲得如下系數(shù):nn等于零，iu等于
一，及Il2等于八，以收斂在Averr(m)，等于-1.33。/。上，如由電壓下降608
表示的那樣。減小用于Lm的估計值的選擇源于如下感覺在通過模 擬的分析和確認的迭代過程期間，公式205過大估計Lm，并且對于脈 沖寬度調(diào)制序列的較不粗糙調(diào)節(jié)促進向滿意輸出穩(wěn)定性的較快收斂。
圖7的曲線700表明當給定大都與在曲線600中描繪的模擬準確 相同的條件時的結(jié)果，不同之處是，電流704首先升高到l安培，然 后在感興趣的瞬變時間期間下落到100毫安。在這種情況下，電壓707首先呈現(xiàn)測得Aver咖)等于8.77%的波峰708，借此這種電壓不穩(wěn)定性
再次要求公式204、 205、 206的使用，以便響應(yīng)給定電流704過渡而 收斂到最大平電壓。在這個實例中，設(shè)計者再次選擇現(xiàn)在等于七的Lm 的估計值，并且獲得如下系數(shù)n。等于零，w等于一，及ii2等于十五，
以收斂在Aver一)，等于1.12%上。
圖8的曲線800和圖9的曲線900把討論指向在比普通數(shù)值有些 大的電流過渡期間對于維持最大平電壓較不易處理的設(shè)備值。按照在 參考美國專利6，940，189的欄13和14中給出的設(shè)備元件，在圖1的示 意圖100中建模的那些對于產(chǎn)生曲線800和曲線卯0的模擬，具有L 107等于4.7口H、和C 109等于IOE]F的值。盡管這些值的設(shè)備元件把 連續(xù)傳導模式擴展到遠低于IOO毫安的負載電流，但這些值對于與來 自采納不同電容對電感比例的元件的以前兩條曲線600 、 700的電流瞬 變604、 704相差不大的電流瞬變804、 904，往往引起較大幅值的電 壓不穩(wěn)定。在圖8的曲線800的實例中，電壓807顯示使Aver—)等于 -28.28%的下降(未表示)。在這個具體例子中，在公式201中的項
TSe"p+1)( A^r側(cè))超過TSW，因而通過在時段！^Tsw-ll。Tsw上把連續(xù)直流
電壓驅(qū)動成等于Vin 103、或者也把在^^式205中的Lm的估計值向下 調(diào)節(jié)而留下跳過脈沖的選擇。由于收斂對于Lm的較小值可能不出現(xiàn)， 所以設(shè)計者選擇脈沖跳過方法，該方法設(shè)置成n。等于-2; !^等于一， 及Il2等于無限大，即對于這個給定電流瞬變沒有必定收斂到最大平電 壓808的指數(shù)定標。對于這個具體例子，電壓808響應(yīng)產(chǎn)生AVerr(m)， 等于2.45%的值。
對于圖9的曲線900的例子，在公式201中的項TSet(p+1)( AIerr(m)) 小于零，如以前那樣，通過在時段！^Tsw-n。Tsw上驅(qū)動連續(xù)零伏特而 沒有留下選擇但在這時跳過脈沖。設(shè)置成n。等于-l; m等于一，及 H2等于無限大，即對于這個給定電流瞬變沒有必定收斂到最大平電壓 908的指數(shù)定標，對于這個具體例子，與電壓907的未補償波峰等于
27.64%的Averr(m)相比，電壓908響應(yīng)導致Aver"m)，等于3.24%的值。
盡管圖8和圖9的例子表明到最大平電壓響應(yīng)的收斂可能性而不顧極端未補償電壓不穩(wěn)定，但較優(yōu)選的方法可能包括，如果設(shè)計允許， 則將設(shè)備元件復原成較接近電容對電感比例，較高質(zhì)量因數(shù)，像以前 例子的質(zhì)量因數(shù)那樣。盡管連續(xù)傳導模式的范圍對于電感器的較小值 減小，但對于負載的容差范圍和元件容差對于較高質(zhì)量因數(shù)設(shè)備放寬，
與圖8和圖9的例子中的設(shè)備的較低質(zhì)量因數(shù)相比，如在圖4至圖7 的最初四個例子中那樣。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可能已經(jīng)知道的那樣， 用于設(shè)備的較高質(zhì)量因數(shù)促進在特征化負載和設(shè)備元件值的較寬容差 上響應(yīng)較大電流瞬變而維持最大平電壓。從參考美國專利6,940,189 的出現(xiàn)起，用于電感器的鉬坡莫合金粉末"分布間隙，，芯已經(jīng)擴大市場， 使設(shè)計者得到對于這里描述的電流范圍保持5 %電感容差的電感器。 另外，對于這里描述的偏置電壓保持在10%內(nèi)的電容容差的X7R陶 瓷材料已經(jīng)達到成本有效價格。高級材料的這些電感和電容元件都在 0至70攝氏度溫度范圍上操作的同時，保持這些容差。因而，本發(fā)明 和其補償設(shè)備元件值偏差的能力以及高級材料的元件，滿足寬范圍的 應(yīng)用。這些設(shè)計例子代表在本發(fā)明范圍內(nèi)的多種可能構(gòu)造的幾種，并 且人們必須將這些構(gòu)造視作示范性的，而不是限制性的。
根據(jù)涉及總線功能的參考美國專利6，940，189，該總線攜帶從二 進制墊輸入的偏移值，本發(fā)明提供一些可選擇實施例，其中這種偏移 的假想使用校正低估或高估設(shè)備元件的實際值的存儲值、電流瞬變、 或電壓不穩(wěn)定幅值。 一旦被實驗確認，本發(fā)明可以使用這些偏移值， 通過按照用于控制設(shè)備的示范實施例的任一個的上述補償技術(shù)的任一 種，調(diào)節(jié)no、 n" n2、 Lm、 AVerr(m)、或AIerr(m)，而補償由任何電流瞬 變造成的任何電壓不穩(wěn)定。已知的是，這種偏移調(diào)節(jié)機理的微小偏差 或省略、部分或完全不實施并不構(gòu)成超越本發(fā)明范圍的實質(zhì)脫離。
在結(jié)束時，人們可能注意到，盡管本說明書以機械的方式描繪了 本發(fā)明的應(yīng)用，但使這些機械的過程自動化的任何實施例不構(gòu)成與本 發(fā)明范圍和精神的脫離。比如，任何計算機程序、計算機腳本、電子 表格、模擬工具、或其它設(shè)計自動化、或自動化的試驗和測量工具 上述時域調(diào)i皆；對于變量或系數(shù)no、 n" n2、 Lm、 Alerr(m)、 AVerr(m)、
17Tsw的產(chǎn)生或調(diào)節(jié)；規(guī)定或建?？刂圃O(shè)備的硬件描述語言的產(chǎn)生或變 化，如但不限于，VHDL、 VerilogHDL、或System C等；脈沖跳過 的產(chǎn)生；或分析，如給設(shè)備元件電容、電感、質(zhì)量因數(shù)、切換損失、 負載電流值、電壓偏差、或Monte Carlo分析留裕量，清楚地不呈現(xiàn) 與本發(fā)明范圍和精神的實質(zhì)脫離。
根據(jù)本發(fā)明的以上描述，本說明書表明在實施本發(fā)明的概念時使 用的各種技術(shù)，而不脫離其范圍。此外，盡管本說明書借助于對一定 實施例的具體參考描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，人 們可進行形式和細節(jié)的變化，而不脫離本發(fā)明的范閨和精神。本說明 書將實施例在所有方面都呈現(xiàn)為說明性的，而不是限制性的。所有人 員必須理解，本說明書并不把本發(fā)明限于以上描述的具體實施例，而 是認定本發(fā)明的多種重新排列、修改、省略、及替代而不脫離其范圍 的能力。
因而，已經(jīng)描述了在電流瞬變期間維持最大平電壓的脈沖寬度調(diào) 制序列。
權(quán)利要求
1.一種控制系統(tǒng)，用來在脈沖寬度調(diào)制電源系統(tǒng)中在功率狀態(tài)過渡的電流瞬變期間提供最大平電壓，所述控制系統(tǒng)包括脈沖寬度調(diào)制電源，構(gòu)造成在脈沖寬度調(diào)制電力系統(tǒng)中提供電力；和控制模塊，構(gòu)造成基于電力電路和系統(tǒng)電路的預(yù)定模型提供最大平電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，提供階躍響應(yīng)，而沒有對于電路反饋或前饋環(huán)路的需要。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，跨過脈沖寬度調(diào)制電源的電容性元件提供最大平電壓。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，控制模塊基于在預(yù)定模型基礎(chǔ)上確定的系數(shù)提供最大平電壓。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其中，基于所述系數(shù)確定對于控制模塊的脈沖響應(yīng)的寬度的定標。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，還包括構(gòu)造成基于預(yù)定模型確定所述系數(shù)的計算機程序。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，電力電路包括電源、電感器和電容器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，預(yù)定模型包括理想電路元件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其中，預(yù)定模型包括非理想電路元件。
10. —種在開環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制系統(tǒng)中驅(qū)動電源以將最大平電壓提供給電路的方法，所述方法包括定義電源的模型；定義要提供有電力的電路的模型；基于所述模型確定多個系數(shù)，所述系數(shù)構(gòu)造成被用在開環(huán)脈沖寬度調(diào)制控制方案中，以提供最大平電壓；使用所述預(yù)定系數(shù)控制電源，以把大體最大平電壓提供給電路。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中，使用所述預(yù)定系數(shù)控制電源以把最大平電壓提供給電路還包括使用所述預(yù)定系數(shù)控制電源以把最大平電壓提供給電路而沒有對于來自電路的反饋的需要。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，使用所述預(yù)定系數(shù)還包括使用所述預(yù)定系數(shù)的子集。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的方法，其中，定義電源和電路的模型還包括定義電源和電路的非理想模型。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，定義電源和電路的模型還包括定義電源和電路的理想模型。
15. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括基于實際環(huán)境條件補償所述系數(shù)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，基于所述模型確定多個系數(shù)的步驟包括使用自動化過程預(yù)定多個系數(shù)。
17. —種控制系統(tǒng)，包括能量存儲元件，建模為電感元件和電容元件；電力切換元件，它在一個或多個已知離散系統(tǒng)功率狀態(tài)期間提供精確功率量；脈沖寬度調(diào)制控制裝置，構(gòu)造成確定來自所述電力切換元件的脈沖輸出的寬度；其中，所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置的輸出在系統(tǒng)功率狀態(tài)過渡期間改變在預(yù)定序列中的輸出脈沖的所述寬度；其中，所述預(yù)定脈沖序列在所述功率狀態(tài)過渡的電流瞬變期間產(chǎn)生供給精確量功率的適當寬度，以促成跨過所述電容元件的最大平電壓。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的控制系統(tǒng)，其中，初始脈沖寬度基于最大電壓偏差與電壓給定值的比值被定標，其中，當所述功率狀態(tài)過渡發(fā)生，而在所述功率狀態(tài)過渡的電流瞬變期間不施加產(chǎn)生供給精確量功率的適當寬度以促成跨過所述電容的最大平電壓的所述預(yù)定脈沖序列時，在所述控制系統(tǒng)中觀察到所述最大電壓偏差，及其中，在存儲器或邏輯構(gòu)造中存儲的系數(shù)確定所述定標。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的控制系統(tǒng)，其中，初始脈沖寬度基于在所述系統(tǒng)功率過渡之前和之后輸出電流的差值被定標，并且其中，在存儲器或邏輯構(gòu)造中存儲的系數(shù)確定所述進一步定標。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的控制系統(tǒng)，其中，在所述初始脈沖寬度隨后的脈沖寬度由時域臨界阻尼階躍響應(yīng)函數(shù)基于所述電感和電容定標。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的控制系統(tǒng)，其中，在存儲器或邏輯構(gòu)造中存儲的系數(shù)確定所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置輸出所述初始脈沖寬度的持續(xù)時間。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的控制系統(tǒng)，其中，在存儲器或邏輯構(gòu)脈沖寬度調(diào)制期間所述時域臨界阻尼階躍響應(yīng)函數(shù)的時間移動。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的控制系統(tǒng)，其中，在所述功率狀態(tài)過渡的電流瞬變期間供給精確量功率以促成跨過所述電容的最大平電壓的對于所述初始寬度的脈沖寬度變化，預(yù)期所述功率狀態(tài)過渡。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的控制系統(tǒng)，其中，在存儲器或邏輯構(gòu)造中存儲的系數(shù)確定在所述功率狀態(tài)過渡之前對于所述初始寬度的脈沖寬度變化發(fā)生的時間量。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中，所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置改變?nèi)魏位蛩兴鱿禂?shù)，以便補償與設(shè)計估計值的實際負載偏差。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的控制系統(tǒng)，其中，所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置改變?nèi)魏位蛩兴鱿禂?shù)，以便補償與所述任何元件值的設(shè)計估計值相比所述電容元件的、所述電感元件的、或在所述電力切換元件中的功率損失的任何實際值的偏差。
27. —種計算機程序，具有使權(quán)利要求25的控制系統(tǒng)的所述元件、或所述系數(shù)的選擇自動化的手段。
28. —種計算機程序，具有使權(quán)利要求26的控制系統(tǒng)的所述元件、或所述系數(shù)的選擇自動化的手段。
29. —種計算機程序，具有使權(quán)利要求25的控制系統(tǒng)的所述系數(shù)的所述變化自動化的手段。
30. —種計算機程序，具有使權(quán)利要求26的控制系統(tǒng)的所述系數(shù)的所述變化自動化的手段。
31. —種計算機程序，具有使權(quán)利要求25的所述控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析自動化的手段。
32. —種計算機程序，具有使權(quán)利要求26的所述控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析自動化的手段。
33. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的控制系統(tǒng)，其中，所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置以開環(huán)控制構(gòu)造實施。
34. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的控制系統(tǒng)，其中，所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置以開環(huán)控制構(gòu)造實施。
35. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的控制系統(tǒng)，其中，所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置以閉環(huán)控制構(gòu)造實施。
36. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的控制系統(tǒng)，其中，所述脈沖寬度調(diào)制控制裝置以閉環(huán)控制構(gòu)造實施。
全文摘要
一種實施脈沖寬度調(diào)制的數(shù)字電路，控制在人們可建模成二階或更高階系統(tǒng)的系統(tǒng)中輸送的功率。示范控制設(shè)備可實施降壓開關(guān)模式電源，該電源把精確電壓或電流序列提供給各種負載的任一個，如半導體的芯部電壓，該電壓與其輸入/輸出環(huán)電壓相比是獨特的。幾種算法之一產(chǎn)生特定預(yù)定序列的變化寬度脈沖，從而在從系統(tǒng)設(shè)備輸送到負載的電流在僅由在低功率極值處電感性元件連續(xù)傳導和在高功率極值處電感器芯的未飽和約束的范圍內(nèi)變化的時候，電壓維持最大平特性。特定脈沖寬度調(diào)制序列控制設(shè)備，使得在一個實施例中電壓維持最大平特性，而在控制系統(tǒng)中沒有物理實施的前饋或反饋環(huán)路，由此降低零件成本或控制半導體生產(chǎn)率成本，同時提高控制系統(tǒng)的抗噪聲性和長期可靠性。幾種特定算法維持最大平電壓，而不顧極端負載變化、以及否則在給定電流瞬變期間加重過大電壓波動的控制設(shè)備元件參數(shù)。
文檔編號H02M3/335GK101578757SQ200780046469
公開日2009年11月11日 申請日期2007年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者A·R·基扎拉 申請人:Ipower控股有限責任公司