專利名稱：自動補償功率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及反饋系統(tǒng)的補償，更特別地涉及在數(shù)字功率控制器中的自適應(yīng)補 mte ο


通過參照與附圖一起閱讀的以下詳細說明，將會更徹底地理解本發(fā)明的前述及 其他的目的、特征以及優(yōu)點。
圖Ia示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的功率調(diào)節(jié)器(降壓調(diào)節(jié)器)的一種實施方式；
圖Ib示出了被配置成實現(xiàn)自動補償?shù)墓β收{(diào)節(jié)器系統(tǒng)的一種實施方式；
圖&示出了降壓變換器的發(fā)電機模型的一種實施方式；
圖沈示出了帶有負載的降壓變換器的發(fā)電機模型的一種實施方式；
圖3示出了具有單個接近原點的極點補償?shù)沫h(huán)路增益建模的一種實施方式；
圖4示出了根據(jù)一種實施方式表示單位增益頻率與DC環(huán)路增益的關(guān)系的函數(shù)曲 線(對應(yīng)于 Qp。w= 1.17，2.33，4.60，8.93)；
圖5示出了根據(jù)一種實施方式的對應(yīng)于Qrow = 8.93(DC增益=50K，400K, 750K)的環(huán)路增益的波特圖6示出了根據(jù)一種實施方式的表示相位裕度與DC環(huán)路增益的關(guān)系的函數(shù)曲線 (對應(yīng)于 Qp。w = 1.17，2.33，4.60，8.93)；
圖7示出了根據(jù)一種實施方式的表示增益裕度與DC環(huán)路增益的的關(guān)系的函數(shù)曲 線(對應(yīng)于 Qp。w= 1.17，2.33，4.60，8.93)；
圖8示出了根據(jù)一種實施方式的Qp。w = 8.93、DC增益=190K時的環(huán)路增益的 波特圖9示出了根據(jù)一種實施方式的Qp。w = 4.60、DC增益=360K時的環(huán)路增益的 波特圖10示出根據(jù)一種實施方式的Qrow = 2.33、DC增益=660K時的環(huán)路增益的波 特圖11示出了根據(jù)一種實施方式的表示DC環(huán)路增益為150K—fn, pow = 13.45kHz, Qpo = 8.93, ξ comp = l/[2^Qcomp] = 0, 1，2.6 時的單位增益頻率與比率=fn, e。mp/fn, p。w 的 關(guān)系的函數(shù)曲線；
圖12示出了根據(jù)一種實施方式的表示DC環(huán)路增益為150K—fn, pow = 13.45kHz, Qpo = 8.93、ξ _ρ = l/[2*Q_p] = 0，1，2.6 時的相位裕度與比率=fn, comp/fn, pow 的關(guān) 系的函數(shù)曲線；
圖13示出了根據(jù)一種實施方式的表示DC環(huán)路增益為150K—fn, pow = 13.45kHz, Qpo = 8.93、ξ _ρ = l/[2*Q_p] = 0，1，2.6 時的增益裕度與比率=fn, comp/fn, pow 的關(guān) 系的函數(shù)曲線；
圖14示出了根據(jù)一種實施方式的表示DC環(huán)路增益為230K—fn, pow = 13.45kHz,Qpow = 8.93、ξ comp = l/[2*Qcomp] = 0, 1，2.6 時的單位增益頻率與比率=fn, e。mp/fn, p。w 的 關(guān)系的函數(shù)曲線；圖15示出了根據(jù)一種實施方式的表示DC環(huán)路增益為230K—fn, p。w = 13.45kHz、 Qpo = 8.93、ξ _ρ = l/[2*Q_p] = 0，1，2.6 時的相位裕度與比率=fn, comp/fn, pow 的關(guān) 系的函數(shù)曲線；圖16示出了根據(jù)一種實施方式的表示DC環(huán)路增益為230K—fn, p。w = 13.45kHz、 Qpo = 8.93、ξ _ρ = l/[2*Q_p] = 0，1，2.6 時的增益裕度與比率=fn, comp/fn, pow 的關(guān) 系的函數(shù)曲線；圖17示出了根據(jù)一種實施方式的表示發(fā)電機在Qp。w= 1.17-單個補償極點接近 DC原點時的相位裕度與DC環(huán)路增益的關(guān)系的函數(shù)曲線；圖18示出了根據(jù)一種實施方式的表示發(fā)電機在Qp。w= 1.17-單個補償極點接近 DC原點時的增益裕度與DC環(huán)路增益的關(guān)系的函數(shù)曲線；圖19示出了根據(jù)一種實施方式的表示對應(yīng)于增益因子k(k = kpm = (1，kpm = 10, kpm =2。，kpm.30' kpm = 4Q)的不同數(shù)值的一Qp。w= 1.17、Q_p>> 1時相位裕度與比率=fn, c0mp/f , po 的關(guān)系的函數(shù)曲線；圖20示出了根據(jù)一種實施方式的表示對應(yīng)于增益因子k(k = kpm = Q，kpm = 10, kpm = 2Q，kpm = 3Q，kpm = 4Q)的不同數(shù)值的一Qp。w= 1.17、Q_p>> 1時增益裕度與比率=fn, c0mp/f , pow的關(guān)系的函數(shù)曲線；圖21示出了根據(jù)一種實施方式的表示對應(yīng)于增益因子k(k = kpm = (1，kpm = 10, kpm 4。，kpm.30' kpm = 4Q)的不同數(shù)值的一Qp。w= 1.17、Q_P>>1 時單位增益 vs.比率=fn, _P/fn, P。w的函數(shù)曲線；以及圖22示出了根據(jù)一組實施方式的實現(xiàn)自動補償?shù)姆椒ǖ牧鞒虉D。雖然本發(fā)明允許進行多種修正和替換形式，但通過圖示實施例示出特定實施方 式，且將在下文中對這些實施例詳細描述。但是，應(yīng)當注意，此處的圖示和詳細說明意 圖不在于將本發(fā)明限制于所述的特定形式，而是相反，本發(fā)明覆蓋落入所附權(quán)利要求所 限定的本發(fā)明精神和范圍的所有修改、等價方案以及替代方案。注意，標題僅用于組織 的目的，不用于限制或解釋說明書或權(quán)利要求。此外，注意通篇使用的單詞“可”表示 許可的意思(即可能，能夠)，而不是強制的意思(即必須)。
具體實施例方式諸如微處理器和圖形處理器的商用集成電路的快速發(fā)展和增加的功耗在功率輸 送至IC以及從IC散出廢熱方面已形成了新的重要問題。目前，電源設(shè)計相比前些年遠 為重要和困難。大電流/低電壓IC要求非常清潔和穩(wěn)定的DC電源。該電源必須能夠 輸送非?？斓碾娏魉矐B(tài)。到這些負載的電子路徑也必須具有低電阻和電感(1.5V的電源 在60Amps下在25mΩ的電阻兩端將完全壓降)。通常，DC電源設(shè)計為將AC線路電壓轉(zhuǎn)換為一個或多個DC輸出，這些輸出將 貫穿一個系統(tǒng)發(fā)送至負載點(POL)。但是，貫穿系統(tǒng)發(fā)送大電流信號是不現(xiàn)實的。為 了克服該困難，為了減小通過系統(tǒng)分配大電流信號的負面影響，已經(jīng)采用了一種在適度 的電壓和電流電平下分配功率的替換方法。并非將AC電源電壓電平轉(zhuǎn)換為中心位置的各個負載所需的DC電壓電平，而是典型地轉(zhuǎn)換為“合理的” DC電壓并傳送至“負載 點”(POL)，并在負載點本地轉(zhuǎn)換為所需的低電壓。這樣的技術(shù)稱之為“分布式電源結(jié) 構(gòu)”，或DPA。在許多電壓分配系統(tǒng)中，僅僅將系統(tǒng)周圍的電源分散至多個POL是不夠的。通 常監(jiān)測和控制綜合電子系統(tǒng)以確保最高的可靠性和性能。在DPA系統(tǒng)中典型實現(xiàn)的功 能(電源特征)包括供電時序、熱交換能力、斜坡控制、電壓編程、負載監(jiān)控、追蹤、溫 度監(jiān)控、風(fēng)扇速度控制、相位控制、電流共享、開關(guān)頻率可編程性以及開關(guān)時鐘同步等 等。還存在電源系統(tǒng)可能需要的其他功能。例如，溫度測量的單個點、門的開/閉狀態(tài) 以及振動可能是所關(guān)心的功能。為了適應(yīng)對于更大功率和更緊湊系統(tǒng)的需求以及由此帶來的新的分配問題，很 多現(xiàn)有的功率分配方案開始在單個封裝中提供多重解決方案或功能。典型地，系統(tǒng)中的 每個功能都需要獨立的配置。也就是說，每個功能需要它自身的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將POL轉(zhuǎn)換器 聯(lián)系在一起?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)粘合邏輯(glue-logic)，控制POL轉(zhuǎn)換器需要這樣的邏 輯，以使得在系統(tǒng)運行期間能夠成功執(zhí)行特定功能。很多這樣的功能包括需要相應(yīng)的模 擬信號線路的模擬信號控制，且POL變換器以點對點結(jié)構(gòu)互聯(lián)。當多個POL變換器之間 和/或POL變換器和系統(tǒng)的任意其他元件之間沒有建立起正確通信時，傳送這樣的信號 常常有困難。為了努力在系統(tǒng)級別將所有或最多的這樣功能聯(lián)系在一起，一種方法已在 用于控制單個POL變換器的控制IC中實現(xiàn)這些功能。也可將一些功能編程到經(jīng)由I2C (內(nèi) 部IC通信)母線與附連POL變換器通信的微控制器中，從而協(xié)調(diào)系統(tǒng)中所有POL變換器 的控制。DC-DC變換通常由開關(guān)功率調(diào)節(jié)器或降壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，以將較高電壓(例如， 12V)變換為一個或多個負載設(shè)備所需的較低值。一個公共體系結(jié)構(gòu)用于將較高電壓分配 到多個功率調(diào)節(jié)器，其中每個功率調(diào)節(jié)器會產(chǎn)生輸送至一個或多個負載的不同(或可能 是相同的)電壓。開關(guān)功率調(diào)節(jié)器通常采用兩個或多個功率晶體管將能量從一個電壓變 換為另一電壓。諸如功率調(diào)節(jié)器100的一個常見的實施例，通常稱為“降壓調(diào)節(jié)器”， 在圖Ia中示出。典型地，降壓調(diào)節(jié)器100切換一對功率晶體管(108和110)以在他們的 公共節(jié)點SW處形成矩形波。所產(chǎn)生的矩形波可以通過包括電感器112和電容器114的 LC電路來平滑，由此形成所需的電壓Vf_。包括誤差放大器116、比例-積分-微分 (PID)濾波器102、脈寬調(diào)制器(PWM) 104以及輸出控制電路106的控制環(huán)路可以被配置 成控制輸出矩形波的占空比，并由此控制最終的Vfl^值。對于模擬控制，III型補償?shù)湫偷貫橛糜陔妷耗Ｊ介_關(guān)電源補償?shù)耐ㄓ眠x擇。補 償?shù)母鞣N類型和變體可用于數(shù)字控制，但是其中一種最通用的補償是數(shù)字PID補償，在 圖Ia中由PID濾波器102示出，其可被配置為在調(diào)節(jié)器100中實現(xiàn)數(shù)字補償和/或濾波。 總之，數(shù)字功率控制已經(jīng)用于電力工業(yè)的各種場合中有一段時間了。隨著數(shù)字控制器成 本的降低，它們?nèi)找嬖黾拥氖褂米兊糜用黠@，但是它們相對于更為常規(guī)的模擬控制器 的價格和優(yōu)勢已經(jīng)成為了爭議的問題。爭議的焦點問題在于數(shù)字控制是否能夠真正提供 超越模擬控制的任意實質(zhì)性的優(yōu)勢。半導(dǎo)體處理技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到數(shù)字電路相對于模擬電路確實地具有尺寸上的優(yōu) 勢。例如，整個數(shù)字微控制器可以形成為大約具有單個(小)模擬元件電容器的尺寸。此外，數(shù)字技術(shù)提供了集成和合并復(fù)雜的控制算法的可能性，該算法可能太復(fù)雜、太大 或太貴以至于不能作為模擬設(shè)計實現(xiàn)。在“最優(yōu)化時滯控制”或ODTC中描述了這個問 題的一個示例。ODTC是創(chuàng)新的搜索算法，其調(diào)節(jié)開關(guān)時滯以使得功率變換器的效率最 優(yōu)化。盡管“自適應(yīng)時滯”的模擬實現(xiàn)已經(jīng)存在一段時間了，但是他們不包括對于效率 的最優(yōu)化，而僅僅包括對于交叉導(dǎo)通的防止。
電源運行的另一要素是穩(wěn)定性。由于在不良定義(或甚至是不好理解的)負載 和環(huán)境狀況下系統(tǒng)穩(wěn)定性的復(fù)雜性，穩(wěn)定性補償最好是可提供絕對優(yōu)于模擬方案的數(shù)字 實現(xiàn)的區(qū)域之一。由于數(shù)字控制的計算效率和能力，補償是數(shù)字運算相對于模擬運算具 有明顯性能優(yōu)勢的區(qū)域。
如上所述，反饋系統(tǒng)的一個示例可以涉及DC-DC變換，其可通過使用兩個或多 個功率晶體管的開關(guān)功率調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)，該開關(guān)功率調(diào)節(jié)器可將能量由一個電壓變換為 另一個電壓。總之，如本文所用的，術(shù)語“電壓調(diào)節(jié)器”、“負載點(POL)調(diào)節(jié)器”、“功率變換器”和“功率調(diào)節(jié)器”可互換使用以表示被配置為通過調(diào)節(jié)后的輸出電壓將 電流傳送至負載的設(shè)備。這樣的功率調(diào)節(jié)器或功率變換器可實現(xiàn)電壓變換，且不僅可包 括反饋控制電路，還可包括附加的控制電路，該附加控制電路除了進行電壓變換以及在 將電流輸送至負載的同時提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓，還執(zhí)行與電壓調(diào)節(jié)和/或功率調(diào)節(jié)和 控制相關(guān)的一種或多重功能。一個POL調(diào)節(jié)器可分為電壓變換器部分，其實質(zhì)上包 括POL輸出級；以及控制電路，其可具有包括調(diào)節(jié)和控制功能在內(nèi)的POL調(diào)節(jié)器的所有 其他功能。在一組實施方式中，控制電路可在集成電路上實現(xiàn)，并與外部的輸出級相耦 合，以構(gòu)成完整的POL調(diào)節(jié)器。圖Ia中示出了一個功率調(diào)節(jié)器，其為降壓調(diào)節(jié)器?？?之，可以控制晶體管108和110不同時通過電流。典型地，當晶體管108導(dǎo)通(HS被置 為有效)時，晶體管110可以是關(guān)斷(LS被解除有效)。
發(fā)電機模型
圖&示出了功率調(diào)節(jié)器(例如圖Ia所示的降壓變換器100)例如在無負載時的 發(fā)電機模型。發(fā)電機不帶負載時的傳遞曲線可由下述方程式表示
(1)
gPS(s) = V 輸出(S)/V 輸人(S) = [l+s/(2* π *fzeJ]/[l+sA2* π *fn, pow*Qpow)+s2/ ^Wfn, pow)2]
其中
fn, p。w= l/[2*Ji*Sqrt(L*C0)]，
Qpow = 1/(2^ ξ pow) = [1/(R+RCo) ]*sqrt[L/C。]，
fzesr= 1/[2*πυ0)]，
0_和ξ p。w分別表示發(fā)電機的品質(zhì)因數(shù)和衰減因數(shù)，而^, p。w表示固有頻率。 術(shù)語“sqrt”表示“平方根”。
發(fā)電機帶負載Rc^圖2b)時的傳遞曲線可由下述方程式表示
(2)
gps(s) = [V(Ro+R)]ni+s/(2^ π ^fzesr) ]/[l+s/(2^ π ^fn, pow^Qpow)+s2/(2^ π ^fn,
其中
fn, pow = 1/{2* π Sqr^O^CoPCRo+Rj/CRo+R)]}，Qpow = sqrt[ (L/C0) ^ (^+Rco) * (R0+R) ]/{L+ConRco* (Ro+R) +Ro^R]}'fzesr= 1/[24U0]。環(huán)路補償?shù)湫偷?，用于降壓變換器反饋環(huán)路的補償函數(shù)引入接近原點(DC)的一個極點以 及接近發(fā)電機固有頻率^,-的兩個零點。假設(shè)歸因于電容器‘esr’ (接近頻率的 零點可以由于其較高的數(shù)值而被忽略。則補償函數(shù)可以重新寫為⑶gc。mp (s) = k*[l+s/ (2* π *fn, _p*Qc。mp) +s2/ (2* π *fn, _p) 2]/s其中/^mp=AiW，fn,。―表示補償頻率。Q。。mp表示補償品質(zhì)因數(shù)。k、fn, _p 和Q。。mp分別作為補償系數(shù)，一起確定DC環(huán)路增益和補償零點的位置，從而根據(jù)方程式3 給出的補償函數(shù)有效地確定發(fā)電機的補償。此外，根據(jù)方程式3給出的補償函數(shù)，這些 補償系數(shù)可以一起來確定發(fā)電機的補償極點的位置。該補償函數(shù)可以實現(xiàn)下述目標·高環(huán)路增益，例如，進行調(diào)節(jié)處的DC高環(huán)路增益，·需要削弱噪音的高頻處的低環(huán)路增益，·近似于接近原點(DC)的單個極點的簡單環(huán)路傳遞曲線。自動補償方法基于與系統(tǒng)相關(guān)的某些假設(shè)，以及期望的運行頻率，在此所述的自動補償方法 的各種實施方式可以用于確定DC環(huán)路增益和補償零點的位置，而無需對系統(tǒng)的任何先前 了解。此外，補償參數(shù)(DC環(huán)路增益，零點位置)的選擇可以基于系統(tǒng)的一個或多個狀 態(tài)變量的測量值，例如實際功率變換器的輸出電壓的測量值。由于不使用系統(tǒng)模型，可 以沒有誤差，當使用采用系統(tǒng)模型的任意方法來代替基于系統(tǒng)自身選擇補償參數(shù)的方法 時，將會帶來這樣的誤差。應(yīng)當注意，為了獲得期望的相位裕度，或使相位裕度處于期 望限定值內(nèi)，可以基于功率變換器和濾波器整體結(jié)構(gòu)的相關(guān)假設(shè)或是預(yù)先知識來選擇補 償參數(shù)。換句話說，盡管補償參數(shù)可基于所測得的狀態(tài)變量選擇，而不基于由系統(tǒng)模型 推出的額定值，但它們還可基于濾波器和功率變換器整體結(jié)構(gòu)的假設(shè)和/或預(yù)先知識來 進行選擇。例如，在一組實施方式中，可以理解，所要補償?shù)墓β首儞Q器是具有LC濾 波器結(jié)構(gòu)(例如，如圖2a和2b所示)的降壓變換器(例如，如圖Ia所示的變換器)，。 總之，如上所述，不需要了解濾波器和變換器的元件值，盡管對濾波器結(jié)構(gòu)和變換器類 型的了解可以在選擇補償參數(shù)時進行考慮。在此所述的自動補償方法的實施方式可以很好地適用于包括處理器和存儲器的 數(shù)字控制器等。圖Ib示出了一個這樣的示例系統(tǒng)，其中微控制器(處理器)202可以與存 儲器204連接，并可以與電壓調(diào)節(jié)器208的電壓調(diào)節(jié)器控制級206連接?？刂破?02由 此為電壓調(diào)節(jié)器208實現(xiàn)自動補償，如下文進一步描述。應(yīng)當注意，圖Ia所示實施方式 的可替換實施方式也同樣是可能并能夠預(yù)期的。例如，可替換實施方式可包括根據(jù)本文 所述的原理被配置成執(zhí)行實現(xiàn)自動補償?shù)母鞣N函數(shù)的專用硬件，或硬件和軟件的組合。 該自動補償方法還可在任意給定應(yīng)用或系統(tǒng)配置中執(zhí)行，用于補償上升為正常輸出電壓 (不帶負載)之前的低輸出電壓(例如IOOmV)，和/或在安裝功率變換器之前用于特定系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)或應(yīng)用中(帶負載或不帶負載，用于任意輸出電壓)。例如，在使系統(tǒng)運行于期望 的正常輸出電壓之前，該自動補償方法可以與經(jīng)調(diào)節(jié)的低輸出電壓(例如，IOOmV) —起執(zhí)行來確定期望的補償參數(shù)。如果在應(yīng)用中進行了自動補償，則當在低輸出電壓下工作 時，在輸出電壓斜坡上升為期望的正常工作值之前，補償函數(shù)的系數(shù)(k，fn, comp, Qcomp) 可以重新計算，以解決元件值隨時間的偏移的問題。該自動補償方法的各種實施方式可 包括至少三個步驟初始補償函數(shù)的選擇，DC環(huán)路增益的選擇(需要選擇系數(shù)k)，以及 系數(shù)fn,。-和Q_P的選擇。
第一步詵擇初始補償函數(shù)
自動補償可以發(fā)生在閉環(huán)操作中。因此可以選擇初始補償函數(shù)以實現(xiàn)用于發(fā)電 機元件值中所有實際值的穩(wěn)定反饋環(huán)路。最初可以選擇/制定接近原點的單個補償極點 和低DC增益(k = kimt)。Icinit的選擇假設(shè)在穩(wěn)態(tài)條件和額定輸出電壓下達到需要調(diào)節(jié)的 最小環(huán)路增益。補償函數(shù)可以由下式給出
(4)gcomp(s) =kmit/s。
從而總的環(huán)路增益可以是
(5) g 環(huán)路=IcmJk1^gps (S)Vs,
其中&s(S)由方程1給出，而1^表示由諸如脈寬調(diào)節(jié)器(例如，圖Ia所示的 PWM模塊104)和誤差放大器(例如，圖Ia所示的誤差放大器116)的其它函數(shù)貢獻的調(diào) 節(jié)環(huán)路增益。如果選擇一個足夠小的增益值k，補償函數(shù)可以確保對于任何實際的傳動 系元件值(即，功率變換器的實際元件值)均有穩(wěn)定的環(huán)路。接近原點的單個補償極點 和低DC環(huán)路增益的組合可以產(chǎn)生低于發(fā)電機固有頻率fn, comp的單位增益頻率fmit, x。。由 此，方程(5)中的環(huán)路增益的相位裕度將為90°，以確保穩(wěn)定運行。
由于初始參數(shù)Icinit的選擇依賴于功率變換控制器，該自動補償方法可以基于這樣 的假設(shè)來構(gòu)成，即Icinit是基于在額定調(diào)節(jié)輸出電壓值下的穩(wěn)態(tài)下足以進行調(diào)節(jié)的最小環(huán)路 增益&。。P, m 來選擇的。換句話說，足夠低的DC增益表示電壓調(diào)節(jié)器(功率變換器)運 行在其公差規(guī)范內(nèi)時可能的最低增益。例如，在初始化步驟期間可以選擇kmit(k的初始 值)以滿足
(6) kimt < < 2* π *fn, pow/ (Qpow^k1)，
其中Ic1表示控制器(例如，控制器IC電路模塊，除PID函數(shù)的濾波器實現(xiàn)方式) 的DC增益貢獻。當根據(jù)方程(5)選擇kmit時，單位增益頻率fmit, xo將低于發(fā)電機的固有 頻率(如上所述)
(7)fimt, xo<fn, pow。
因此，根據(jù)方程(5)選擇kmit將產(chǎn)生大約90度的相位裕度和足夠的環(huán)路增益裕 度。不滿足要求的任何控制器和功率濾波器組合可視作落在關(guān)注的應(yīng)用空間之外。
圖3示出了用于模擬環(huán)路傳遞曲線的示例性降壓變換器發(fā)電機和單個接近原點 的補償極點的模型。所有給出的元件值作為示例用于解釋的目的，而且取決于發(fā)電機 的實際結(jié)構(gòu)，其他實施方式也可包括不同值和不同元件。圖3所示的模型包括延遲元件 302，該延遲元件302對可能由控制電路的數(shù)字運行引起的延遲建模，所述控制電路可進 一步由如下標題描述采用可編程數(shù)字控制器的自動補償方法的實現(xiàn)?？梢约僭O(shè)功率變 換器的占空比在每個開關(guān)周期中更新，從而使得通過延遲元件302的延遲等于功率變換 器的開關(guān)周期。在特定示例中，開關(guān)頻率假設(shè)為400kHz，造成的延遲為2.5yS。對于 圖3所示的元件值，固有頻率fn, comp為13.45kPiz，而品質(zhì)因數(shù)Qp。w為8.93。
圖3中的電阻器304的值(r = R^+RL)可以變化(改變)以獲得不同的品質(zhì)因 數(shù)Qp。w值，同時保持固有頻率不變。圖4示出了對于功率級品質(zhì)因數(shù)Qrow的不同值(在 實施例中示出，0^=1.17，2.33，4.60，8.93)的環(huán)路(其由發(fā)電機和接近原點的單個補 償極點構(gòu)成)的作為DC環(huán)路增益的函數(shù)的單位增益頻率。對于高的Qrow值，(下降) 環(huán)路增益在DC環(huán)路增益值范圍內(nèi)的兩個頻率處與OdB水平線相交。較高的Qrow值可以 引起較寬范圍的DC增益值，其中可產(chǎn)生兩個OdB交叉頻率。第二(較高)的OdB交叉 頻率可以確定環(huán)路增益的單位增益頻率。圖5示出了 Qrow = 8.93 (高Qp。w發(fā)電機)的環(huán) 路增益的波特圖。對于低DC環(huán)路增益值(例如50K)，下降的環(huán)路增益僅在低頻率處與 OdB交叉。諧振峰值不會與Odb水平線交叉。由此，相位大約為-90°，而相位裕度為 +90°，從而形成穩(wěn)定的環(huán)路。對于較高的DC環(huán)路增益值(例如400K)，諧振峰值也可 與OdB水平線交叉。最終，對于很高的DC環(huán)路增益值(例如750K)，諧振峰值根本不會 在低頻率處與OdB水平線交叉。如圖5所示，對于高DC環(huán)路增益值，單位增益頻率將 超過發(fā)電機的固有頻率fn, p。w。此外，由于相位的銳變在發(fā)電機的固有頻率fn, pow附近， 相位裕度會非常小(達到負值)。因此環(huán)路會變得不穩(wěn)定。
圖6示出了對于功率級品質(zhì)因數(shù)Qrow的不同值(在實施例中示出，Qpmv= 1.17， 2.33，4.60，8.93)，作為DC環(huán)路增益的函數(shù)的環(huán)路相位裕度。在DC環(huán)路增益值(單 位增益頻率低于固有頻率fn, pow)的整個范圍上具有單個的OdB交叉頻率的低Qrow發(fā)電機 (例如，Qp。w = 1.17)可呈現(xiàn)相位裕度由對應(yīng)于低DC環(huán)路增益值的接近90°到高DC環(huán) 路增益值處的負值的漸變。較高Qp。w發(fā)電機在(下降)環(huán)路增益從單個OdB交叉頻率變 化到兩個OdB交叉頻率值(單位增益頻率可以超過固有頻率fn, pow)的DC環(huán)路增益值下 可呈現(xiàn)從接近90°的相位裕度到負相位裕度的銳變。如圖6所示，對于較高的Qrow發(fā)電 機，較低DC環(huán)路增益值可以獲得足夠的相位裕度。
圖7示出了對應(yīng)于功率級品質(zhì)因數(shù)Qrow的不同值(在所示示例中，Qp。w = 1.17， 2.33，4.60，8.93)的作為DC環(huán)路增益的函數(shù)的環(huán)路增益裕度。較低的DC環(huán)路增益值可 以提高增益裕度。此外，較高Qrow的發(fā)電機可能需要較低的DC環(huán)路增益值，以實現(xiàn)足 夠的增益裕度以便于穩(wěn)定運行。
總之，如圖6和7所示，如果選擇接近原點的單個補償極點和足夠小的DC環(huán)路 增益值，則對于具有低和高Qp。w值的功率級，該環(huán)路穩(wěn)定且具有足夠相位裕度和增益裕 度。低DC環(huán)路增益值也可以產(chǎn)生低單位增益頻率。由此，環(huán)路的性能在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)和負 載瞬態(tài)響應(yīng)二者中均有裕度。因此包括接近原點的極點以及足夠小的DC增益(可以在 控制器中實現(xiàn)的可能的最小DC增益)的初始補償函數(shù)可以確保在變換器上電之后穩(wěn)定運 行。
第二步選擇DC環(huán)路增益倌(補償系數(shù)k)
當DC環(huán)路增益值增加時，環(huán)路相位裕度和增益裕度最終變得不足，如圖6和7 所示，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。對于發(fā)電機的高品質(zhì)因數(shù)0_值而言，可能發(fā)生由穩(wěn)定到 不穩(wěn)定的銳變。然后DC環(huán)路增益中小的百分比改變可能引起相位裕度由接近90°的值 到負值的變化。通過監(jiān)控輸出電壓的紋波(即，峰值到峰值偏移)，可以檢測到相位裕度 何時減小以及環(huán)路何時在接近不穩(wěn)定的區(qū)域中?？梢葬槍 = kimt測量穩(wěn)態(tài)開關(guān)紋波幅 值，在k = kmit時認為系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)。在該算法的搜索步驟期間，可設(shè)置被認為是輸出處
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)補償函數(shù)控制功率變換器的方法，其中所述功率變換器被配置為產(chǎn)生經(jīng) 調(diào)節(jié)輸出電壓，所述方法包括初始化所述補償函數(shù)的一個或多個系數(shù)，其中所述一個或多個系數(shù)一起確定由所述 補償函數(shù)定義的環(huán)路增益和補償零點的各自位置；在所述初始化之后，測量所述功率變換器的一個或多個狀態(tài)變量來獲得所述經(jīng)調(diào)節(jié) 輸出電壓的額定穩(wěn)態(tài)值；基于所獲得的經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的至少一個額定穩(wěn)態(tài)值來確定第一輸出閾值；調(diào)節(jié)所述一個或多個系數(shù)中的至少第一系數(shù)直到所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓超過所述第一 輸出閾值；以及調(diào)節(jié)所述一個或多個系數(shù)中的至少第二系數(shù)直到所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓達到所述第一 輸出閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述測量功率變換器的一個或多個狀態(tài) 變量包括測量所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的峰值_峰值偏移；其中所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的額定穩(wěn)態(tài)值包括所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的額定峰值_峰值 紋波值；以及其中所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的至少一個額定穩(wěn)態(tài)值是所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的額定峰 值-峰值紋波值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述確定所述第一輸出閾值包括將所述 第一輸出閾值設(shè)定為所獲得的經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的額定峰值_峰值紋波值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始化所述一個或多個系數(shù)包括給 所述一個或多個系數(shù)賦值，從而實現(xiàn)下述情況中的一個或多個接近原點的單個補償極點；以及低DC (直流)環(huán)路增益。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述一個或多個系數(shù)還包括第三系數(shù)；其中所述調(diào)節(jié)至少所述第一系數(shù)包括增大所述第一系數(shù)和所述第二系數(shù)；以及其中所述調(diào)節(jié)至少所述第二系數(shù)包括增大所述第三系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括在所述增大所述第一系數(shù)和所述第二系數(shù)期間保持所述第三系數(shù)不變。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括調(diào)節(jié)所述第一系數(shù)和所述第二系數(shù)，從而使所述第一、第二和第三系數(shù)之和在所述 增大第三系數(shù)期間保持不變。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)所述第一系數(shù)和所述第二系數(shù) 包括保持所述第一系數(shù)等于所述第二系數(shù)；以及當所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓超過所述第一輸出閾值時，保持所述第一、第二和第三系數(shù) 之和等于與所述第一系數(shù)和所述第二系數(shù)的當前和相對應(yīng)的值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述測量所述功率變換器的一個或多個 狀態(tài)變量包括測量以下一個或多個值所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓；或由所述功率變換器根據(jù)所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓提供的負載電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述環(huán)路增益是DC(直流)環(huán)路增益。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一輸出閾值對應(yīng)于所述功率變 換器可實現(xiàn)的最小穩(wěn)定經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓紋波。
12.一種被配置為根據(jù)補償函數(shù)為功率變換器提供補償?shù)南到y(tǒng)，其中所述功率變換器 被配置為產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓，所述系統(tǒng)包括用于初始化所述補償函數(shù)的環(huán)路增益系數(shù)、補償頻率系數(shù)和補償品質(zhì)因數(shù)系數(shù)以獲 得單位增益頻率的裝置；用于調(diào)節(jié)所述環(huán)路增益系數(shù)直到所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的峰值到峰值偏移(紋波)超過 第一預(yù)定閾值，以獲得經(jīng)調(diào)節(jié)的環(huán)路增益系數(shù)的裝置；以及用于調(diào)節(jié)所述補償頻率系數(shù)直到所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓達到所述第一預(yù)定閾值，以獲 得經(jīng)調(diào)節(jié)的補償頻率系數(shù)的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于在調(diào)節(jié)所述補償頻率系數(shù)之前調(diào)節(jié)所述補償品質(zhì)因數(shù)系數(shù)直到獲得指定的補償 衰減因子值的裝置；用于保持所述補償品質(zhì)因數(shù)不變同時調(diào)節(jié)所述補償頻率系數(shù)的裝置； 用于監(jiān)控所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的峰值(紋波)以檢測所述功率變換器的控制環(huán)路相位 裕度何時減小以及所述控制環(huán)路何時處于接近不穩(wěn)定的區(qū)域的裝置；或者用于在所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的每次斜坡上升之前初始化所述環(huán)路增益、調(diào)節(jié)所述環(huán) 路增益系數(shù)以及調(diào)節(jié)所述補償頻率系數(shù)，以解決隨時間改變的元件值的裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于調(diào)節(jié)所述補償頻率系數(shù)的所述裝 置包括用于減小所述補償頻率系數(shù)的裝置；其中所述第一預(yù)定閾值對應(yīng)于測得的所述經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的峰值(紋波)的平均值；其中用于初始化所述環(huán)路增益的所述裝置包括用于設(shè)定接近原點的單個補償極點的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，用于初始化所述環(huán)路增益的所述裝 置、用于調(diào)節(jié)所述環(huán)路增益系數(shù)的裝置以及用于調(diào)節(jié)所述補償頻率系數(shù)的所述裝置包括 下述一個或多個專用集成電路；存儲第一編程指令的存儲器元件，以及被配置為執(zhí)行所存儲的第一編程指令的處理器；存儲第二編程指令的非易失性存儲器元件，以及被配置為執(zhí)行所存儲的第二編程指 令的微控制器；一個或多個模擬電路元件；或 一個或多個數(shù)字邏輯部件。
全文摘要
一種用于補償被配置為產(chǎn)生經(jīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的功率調(diào)節(jié)器的自動補償方法。可基于對調(diào)節(jié)器和相應(yīng)濾波器的假定，通過確定用于補償功率調(diào)節(jié)器的補償函數(shù)的各種系數(shù)來動態(tài)地進行自動補償。該方法可用于確定至少DC環(huán)路增益和補償零點的位置，而無需先前了解系統(tǒng)各元件值。此外，可以基于實際功率變換器中各種狀態(tài)變量的測量值來選擇補償參數(shù)(環(huán)路增益，零點位置)，并根據(jù)測量來調(diào)節(jié)補償函數(shù)的各個系數(shù)。由于沒有使用功率調(diào)節(jié)器的發(fā)電機模型，可消除采用系統(tǒng)模型來替代系統(tǒng)本身的任意方法中可能固有的不準確性。
文檔編號H02M3/158GK102025278SQ20101055262
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者D·L·貝克, D·伊安諾普洛斯 申請人:英特賽爾美國股份有限公司