CN102044966A - 具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路及其控制方法，以加法器来取得输出电压与输出参考电压间的输出电压差值，以具有Z转换转移函数的数字补偿器来参考输出电压差值而产生脉宽控制信号，并以调整Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来达成电源转换器的负载线功能，再以脉宽控制信号来控制脉宽调变电路而产生控制电源转换器的功率开关启闭的脉宽调变信号。因此，可在不需复杂运算的情况下，容易地实现负负载线或正负载线控制功能、以及多相转换器运作所需的可变负载线功能。

Description

具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电源转换器(Power Converter)，且特别涉及一种具有自适应电压位置(Adaptive Voltage Position，简称AVP)控制的电源转换器控制电路及其控制方法。

背景技术

随着半导体科技的快速演进，使得例如电脑及其周边数字产品等也日益地更新。在电脑及其周边数字产品的应用集成电路(Integrated Circuit，简称IC)中，由于半导体工艺的快速变化，造成集成电路电源的更多样化需求，以致应用如升压器(Boost Converter)、降压器(Buck Converter)等各种不同电源转换器所组合的脉宽调变稳压器，来达成各种集成电路的不同电源需求，也成为能否提供多样化数字产品的极重要因素之一。

近年来，电源转换器的轻载效率越来越受到重视，以中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)的电源而言，自适应电压位置控制技术已广泛的运用在电压调节器模块(Voltage Regulator Module，简称VRM)中。下列即为几个有关如何设计自适应电压位置控制方法的文献：

[1]Kaiwei Yao，Ming Xu，Yu Meng and Fred C.Lee，“Design Consideration for VRM Transient Response Based on the Output Impedence，”IEEE Trans.Power Electron.，vol.18，no.6，pp.1270-1277，Nov.2003.

[2]Martin Lee，Dan Chen，Kevin Huang，Chih Wen Liu，Ben Tai，“Modeling and Design for Novel Adaptive Voltage Position(AVP)Scheme for Multiphase VRMs，”IEEE Trans.Power Electron.，vol.23，no.4，pp.1733-1742，Jul.2008.

[3]Ching-Jan Chen，Dan Chen，Martin Lee，Eddie Kuo-Lung Tseng，“Design and Modeling of a Novel High-Gain Peak Current Control Scheme to achieve Adaptive Voltage Positioning for DC Power Converters，”PESC 2008.

[4]Jian Rong Huang，Sophia Chien-Hui Wang，Chia Jung Lee，Eddie Kuo-Lung Tseng，Dan Chen，“Native AVP Control Method for Constant Output Impedance of DC Power Converters，”in Proc.IEEE Power Electronics Specialists Conference.，2007，pp.2023～2028

[5]K.Yao，Y.Ren，J.Sun，K.Lee，M.Xu，J.Zhou，and F.C.Lee，“Adaptive voltage position design for voltage regulators，”in Proc.IEEEApplied Power Electronics Conf.，2004，Vol.1，pp.272-278.

另外，为了让效率更加的提高，如图1所示的可变负载线(Variable Load Line，简称VLL)的观念也被提出来。可变负载线就是在多相转换器(Multi-phase Converter)中，在轻载时只使用一个相的转换器运作，当重载时才使用多相转换器运作，以提高轻载时的效率。其中，无论是一个相或是多相的操作，其输出电压的最大值与最小值均保持相同。

例如，图1中，负载线11为负载电流由0至20A时，使用一个相的转换器运作的曲线，负载线12为负载电流由0至40A时，使用两个相的转换器运作的曲线，负载线13为负载电流由0至60A时，使用三个相的转换器运作的曲线，负载线14则为负载电流由0至80A时，使用四个相的转换器运作的曲线，在这些负载线11、12、13与14中，其输出电压的最大值V_max与最小值V_min均保持相同。

前述文献提出的具有自适应电压位置控制的电源转换器的控制方法，均为模拟控制器的设计，虽然可以达成负载电流增加时输出电压降低的负负载线(Negative Load Line)的具有自适应电压位置控制功能，但并未能提供负载电流增加时输出电压也提高的正负载线(Positive Load Line)控制功能。此外，所能提供的电源转换器负载线也因为是固定不变，而无法提供因应多相转换器运作所需的可变负载线功能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路及其控制方法，其可在不需复杂运算的情况下，容易地实现负负载线或正负载线控制功能、以及多相转换器运作所需的可变负载线功能。

为达上述及其他目的，本发明提供一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路及其控制方法，可适用于产生脉宽调变信号，来控制电源转换器的功率开关的启闭，此电源转换器控制电路包括分别用以执行电源转换器控制方法步骤的第一加法器、数字补偿器以及脉宽调变电路。

其中，第一加法器用以接收电源转换器的输出电压与输出参考电压，并取得输出电压与输出参考电压间的输出电压差值；数字补偿器具有Z转换转移函数(z-domain transfer function)，用以参考前述的输出电压差值来产生脉宽控制信号，并以调整Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来通过脉宽控制信号的控制而达成电源转换器的例如是正负载线、负负载线或可变负载线功能；而脉宽调变电路则用以接受脉宽控制信号的控制而产生控制电源转换器的功率开关启闭的脉宽调变信号。

在一实施例中，此电源转换器控制电路还包括第二加法器、前馈控制电路及第三加法器。其中，第二加法器用以接收电源转换器的输入电压与输入参考电压，并取得输入电压与输入参考电压间的输入电压差值；前馈控制电路用以参考输入电压差值而产生补偿电压；第三加法器则用以接收补偿电压与电源转换器的标准参考电压，并计算补偿电压与标准参考电压之和，进而产生前述的输出参考电压。

在一实施例中，此电源转换器控制电路的Z转换转移函数为：

${\mathrm{Comp}}_D\left(z\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·z^{-i}}{1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·z^{-i}}$

，而调整的Z转换转移函数的分母系数a_i的最低效位数为分母系数a_i的表示浮点数的4个最低效位。

综上所述可知，由于本发明所提供的一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路及其控制方法，以调整数字补偿器的Z转换转移函数分母系数的最低效位，来达成电源转换器的负载线功能，故可在不需复杂运算的情况下，容易地实现负负载线或正负载线控制功能、以及多相转换器运作所需的可变负载线功能。

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特以优选实施例，并结合附图，作详细说明如下：

附图说明

图1为显示公知多相转换器的可变负载线曲线图。

图2为显示根据本发明第一实施例的一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路方块示意图。

图3为显示根据本发明第二实施例的一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路方块示意图。

图4为显示图3的电源转换器控制电路在降压转换器的负载动态增加的电压电流波形示意图。

图5为显示图3的电源转换器控制电路在降压转换器的输入电压由3V提高为5V时的电压电流波形示意图。

图6为显示图3的电源转换器控制电路在降压转换器的输入电压由3V降低为2V时的电压电流波形示意图。

具体实施方式

请参考图2所示，其为根据本发明第一实施例的一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路方块示意图。图中，电源转换器控制电路20包括分别用以执行电源转换器控制方法步骤的加法器21、数字补偿器22及脉宽调变电路23，其可用来产生脉宽调变信号PWM_S，以控制电源转换器26的功率开关263的启闭。

其中，加法器21用以接收电源转换器26的输出电压V_O与输出参考电压V_ref，并取得输出电压V_O与输出参考电压V_ref间的输出电压差值V_diff。数字补偿器22具有Z转换转移函数，用以参考加法器21输出的输出电压差值V_diff来产生脉宽控制信号PWM_C，并以调整Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来通过脉宽控制信号PWM_C的控制，而达成电源转换器26的负载线功能。脉宽调变电路23则用以接受脉宽控制信号PWM_C的控制，而产生控制电源转换器26的功率开关263启闭的脉宽调变信号PWM_S。

数字补偿器22的Z转换转移函数可以表示如下式：

${\mathrm{Comp}}_D\left(z\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i\·z^{-i}}{1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·z^{-i}}.........\left(1\right)$

其中，a_i为Z转换转移函数的分母系数，b_i为Z转换转移函数的分子系数，n则为构成数字补偿器22的滤波器的阶数。

式(1)中，设z＝1则可得数字补偿器22的低频环路增益如下式：

${\mathrm{Comp}}_D\left(1\right)=\frac{{\mathrm{Num}}_D\left(1\right)}{{\mathrm{Den}}_D\left(1\right)}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i}{1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i}.........\left(2\right)$

如调整数字补偿器22的Z转换转移函数的分母系数a_i的最低效位，使调整后的分母系数为a_i′，并令

则式(2)的低频环路增益将如下式：

${\mathrm{Comp}}_D\left(1\right)=\frac{{\mathrm{Num}}_D\left(1\right)}{{\mathrm{Den}}_D\left(1\right)}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i}{1+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i^{\′}}=\frac{y}{x}.........\left(3\right)$

式(3)中，如数字补偿器22的Z转换转移函数的分母系数a_i的表示浮点数的位数为Q，且能容忍最大截断误差(truncation error)的位数为P，则x的可调范围Δx为：

$\mathrm{\Δx}=\±\underset{n=p}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\·2^{-n}$ C_n＝{0，1}.........(4)

故知，调整数字补偿22的Z转换转移函数的分母系数a_i的最低效位，则可通过低频环路增益的改变，而容易地实现负负载线或正负载线控制功能、以及多相转换器运作所需的可变负载线功能。一般而言，如调整分母系数a_i的表示浮点数的4个最低效位时，将只会影响低频极点与零点的位置，频宽(Band width)与相位边界(Phase Margin)几乎不会受到影响，故不会有不稳定的问题。惟因其具有较低的直流环路增益的特性，使得电压调节器的调节线性(Line Regulation)将有受影响的可能。

请参考图3所示，其为根据本发明第二实施例的一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路方块示意图。图中，电源转换器控制电路30包括分别用以执行电源转换器控制方法步骤的加法器31、34与35、数字补偿器32、脉宽调变电路33及前馈控制电路37，以便用来产生脉宽调变信号PWM_S，来控制具有电感361与输出电容362的降压转换器36的功率开关363的启闭。

其中，加法器31、数字补偿器32及脉宽调变电路33的功能，分别类似于图2的加法器21、数字补偿器22及脉宽调变电路23的功能，因此，不再赘述。另外，加法器34用来接收降压转换器36的输入电压V_in与输入参考电压V_inref，并取得输入电压V_in与输入参考电压V_inref间的输入电压差值V_indiff。前馈控制电路37用来参考输入电压差值V_indiff而产生补偿电压V_comp，加法器35则用来接收补偿电压V_comp与降压转换器36的标准参考电压V_oref，并计算补偿电压V_comp与标准参考电压V_oref之和，以产生输出参考电压V_ref，再经加法器31的计算，进而产生供数字补偿器32参考的输出电压差值V_diff。

请参考图4至6所示，其分别为将图3的降压转换器36的电感361设定为0.33μH、输出电容362设定为1300μF、输出电容362的寄生电阻R_C设定为1mΩ、负载R_L设定为1Ω、输入参考电压V_inref设定为3V、标准参考电压V_oref设定为5V时所模拟的结果。其中，I_L为降压转换器36的电感361电流，而V_o则为降压转换器36的输出电压。

图4中，当电源转换器控制电路30在降压转换器36的负载动态增加时，其电压电流波形显示可达成自适应电压位置控制的效果。图5与6中，当电源转换器控制电路30在降压转换器36的输入电压V_in分别由3V提高为5V或由3V降低为2V时，其电压电流波形显示输出电压V_o无直流偏移，证明了加法器34、35与前馈控制电路37所构成的输入电压的前馈(Feed-forward)控制方式，可以消除电压调节器的调节线性(Line Regulation)的问题。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种修改与变型，亦属本发明的范围。因此，本发明的保护范围当视所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制电路，适用于产生脉宽调变信号，以控制电源转换器的功率开关的启闭，包括：

第一加法器，用以接收所述电源转换器的输出电压与输出参考电压，以取得所述输出电压与所述输出参考电压间的输出电压差值；

数字补偿器，具有Z转换转移函数，用以参考所述输出电压差值来产生脉宽控制信号，并以调整所述Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来通过所述脉宽控制信号的控制，而达成所述电源转换器的负载线功能；以及

脉宽调变电路，用以接受所述脉宽控制信号的控制而产生所述脉宽调变信号。

2.如权利要求1所述的电源转换器控制电路，还包括：

第二加法器，用以接收所述电源转换器的输入电压与输入参考电压，以取得所述输入电压与所述输入参考电压间的输入电压差值；

前馈控制电路，用以参考所述输入电压差值而产生补偿电压；以及

第三加法器，用以接收所述补偿电压与所述电源转换器的标准参考电压，以计算所述补偿电压与所述标准参考电压之和，进而产生所述输出参考电压。

3.如权利要求1所述的电源转换器控制电路，其中，所述Z转换转移函数为而调整的所述Z转换转移函数的分母系数a_i的最低效位数为分母系数a_i的表示浮点数的4个最低效位。

4.如权利要求1所述的电源转换器控制电路，其中，以调整所述Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来达成所述电源转换器的正负载线功能。

5.如权利要求1所述的电源转换器控制电路，其中，以调整所述Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来达成所述电源转换器的负负载线功能。

6.如权利要求1所述的电源转换器控制电路，其中，以调整所述Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来达成所述电源转换器的可变负载线功能。

7.一种具有自适应电压位置控制的电源转换器控制方法，适用于产生脉宽调变信号，以控制电源转换器的功率开关的启闭，包括下列步骤：

取得所述电源转换器的输出电压与输出参考电压间的输出电压差值；

参考Z转换转移函数来将所述输出电压差值输出为脉宽控制信号，并以调整所述Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来通过所述脉宽控制信号的控制，而达成所述电源转换器的负载线功能；以及

依据所述脉宽控制信号的控制而产生所述脉宽调变信号。

8.如权利要求7所述的控制方法，还包括下列步骤：

取得所述电源转换器的输入电压与输入参考电压间的输入电压差值；

参考所述输入电压差值而产生补偿电压；以及

计算所述补偿电压与所述电源转换器的标准参考电压之和，进而产生所述输出参考电压。

9.如权利要求7所述的控制方法，其中，所述Z转换转移函数为而调整的所述Z转换转移函数的分母系数a_i的最低效位数为分母系数a_i的表示浮点数的4个最低效位。

10.如权利要求7所述的控制方法，其中，以调整所述Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来达成所述电源转换器的正负载线功能。

11.如权利要求7所述的控制方法，其中，以调整所述Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来达成所述电源转换器的负负载线功能。

12.如权利要求7所述的控制方法，其中，以调整所述Z转换转移函数的分母系数的最低效位，来达成所述电源转换器的可变负载线功能。

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