CN102622022A - 用于电压调整的电压控制电流源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提供用于总线调整的电压控制电流源的系统和方法。根据PWM工作周期，使用同步开关控制从电流源传递至电气总线的总线电流。此外，PWM工作周期被控制成与基于电气总线的电压和参考电压的比较的误差信号成比例。

Description

用于电压调整的电压控制电流源
技术领域
本发明的实施例通常涉及电压控制电流源/压控电流源，特别涉及用于电压调整的电压控制电流源。
背景技术
用于之前航天器设计中的基本总线稳定方法可包含具有三个基本单元的系统，其中三个基本单元中的每一个使用交错的设置点(set-points)被单独稳定。交错的设置点可随着中心放大器在全操作范围内的变化而从一种模式转换到另一种模式。当经受连续负载瞬变(load transient)时，操作模式之间的间隙可导致总线瞬变，其能在总线上产生大的低频波动。随着中心放大器从一种模式到另一种模式的控制转换，总线阻抗可能非很高。并且在一些情况下，存在持续在总线上的限幅振荡，直至电流源例如太阳能电池板的容量增加或负载改变。
发明内容
本发明公开了提供用于总线调整的电压控制电流源的系统和方法。根据脉冲宽度调制(PWM)工作周期，使用同步开关控制从电流源传递至电气总线的总线电流。此外，PWM工作周期被控制成与基于电气总线的电压与参考电压的比较的误差信号成比例。
电压控制电流源提供总线调整器系统，其相对于先前设计更容易地稳定并且更迅速地响应负载瞬变，同时阻止了各种操作模式之间的可辨别变化的出现。
在一个实施例中，感应器可操作以耦合到电流源。此外，根据第一脉冲宽度调制(PWM)工作周期，同步开关耦合到感应器并且可操作以耦合感应器到电气总线，从而传递总线电流至电气总线。此外，PWM控制器耦合到同步开关并且可操作以控制第一PWM工作周期，以便总线电流与来自电流源的源电流和第一PWM工作周期成比例。
在另一个实施例中，用于电压控制电流源总线调整的方法根据第一PWM工作周期使用同步开关控制从电流源传递至电气总线的总线电流。该方法进一步控制第一PWM工作周期与基于电气总线和参考电压的比较的误差信号成比例。
在又一个实施例中，用于操作电压控制电流源总线调整器的方法接收充电电流，且根据第二PWM工作周期使用耦合到传感器和接地端的接地侧开关控制通过感应器的充电电流流动/流量(flow)。该方法进一步根据与反馈控制信号成比例的第一PWM工作周期使用耦合到感应器和接地侧开关的同步开关控制来自感应器的感应器电流流动。
该发明内容用于以简单形式介绍选择的概念，其在下文的具体实施方式中被进一步说明。该发明内容不意欲确定权利要求保护主题的关键特征或本质特征，也不意欲被用作确定权利要求保护主题的范围的辅助。
附图说明
结合以下附图及参考详细说明和权利要求，可得出对本发明实施例的更完整的理解，其中相似的参考数字指代贯穿附图的相似元件。附图用于帮助对本发明的理解，而不限制本发明的宽度、范围、比例或适用性。制图并不必需按规定比例。
图1是根据本发明实施例的示范性电压控制电流源总线调整器的图解。
图2是根据本发明实施例的示范性电压控制电流源总线调整系统的图解。
图3是根据本发明实施例的示范性流程图，其示出电压控制电流源总线调整过程。
图4是根据本发明实施例的示范性流程图，其示出电压控制电流源总线调整器操作过程。
具体实施方式
以下的详细说明实际上是示范性的，且不意欲限制本发明或本申请和本发明实施例的使用。特定装置、技术和应用的描述仅提供作为示例。在此描述的对示例的修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，且在此定义的普遍原则可应用于其它示例和应用，而不偏离本发明的精神和范围。本发明应符合与权利要求一致的范围，且不限于在此说明和示出的示例。
在此按照功能性和/或逻辑块组件和各种处理步骤说明本发明的实施例。应当理解，这样的块组件可由被配置以执行指定功能的任意数目的硬件、软件和/或固件组件来实现。为了简洁，涉及电路设计的常规技术和组件、控制系统分析技术以及系统的其它功能方面(和系统各操作组件)不在此作详细描述。此外，本领域技术人员将理解，可结合各种硬件和软件实践本发明的实施例，且在此说明的实施例仅为本发明的示例性实施例。
本发明实施例在实际非限制应用的情况下进行说明，即载人和无人航天器电气总线的电压调整。然而，本发明的实施例不被限制于这类太空航天器的应用，且在此说明的技术也可应用于其它应用。例如但非限制地，这些实施例可应用于载人和无人航天器、船舶、汽车、建筑物、火车、潜艇、各种电压变换应用和电路等等。
在阅读该说明书后对本领域技术人员来说显而易见的是，以下为本发明的示例和实施例，且不限于根据这些实例操作。可在不偏离本发明示范实施例的范围的情况下使用其它实施例并且可做结构改变。
先前几代的太阳能电池板调整器使用本地反馈回路，其用于每个太阳能电池板调整器并且对于每个太阳能电池板调整器中的变换器/整流器具有稍微不同的设置点。由于本地反馈回路具有电压反馈并且总线通常为大电容器同时功率级具有感应器，所以本地反馈回路通常是包含二阶传递函数的二阶系统。当集成误差放大器加入二阶系统时，难以在不牺牲带宽的情况下获得大稳定裕度(margin)。此外，变换器可以以连续或不连续传导模式操作。这增加了本地反馈回路的复杂度，因为在不连续模式中二阶传递函数表示一阶低带宽系统，而在连续传导中，二阶传递函数表示二阶系统。通常，该组合导致在设计中至多能实现大约1kHz的带宽和大约100kHz的开关频率/转换频率。
根据本发明的各种实施例用于设计调整器的新方法包含反馈端口，该反馈端口控制从电流源传递至电气总线的电流，以便总线电流与误差信号(电压误差信号)线性成比例。馈进给电气总线电容的该电流源通常为由一阶传递函数表示的一阶系统。当集成误差放大器加入一阶传递函数时，单零点(simple zero)被加入到放大器传递函数的分子(numerator)中使该一阶系统稳定。该新方法的一些优势如下：
(1)调整器的传递函数是电压控制电流源，而不是电压控制电压源。这意味着调整器(例如本地太阳能电池板调整器)的传递函数的阶数被从二阶传递函数减小为一阶传递函数。因此，更容易地稳定电气总线(例如航天器功率总线)的控制回路。此外，当中心放大器在各种操作模式中转换时，若在放电期间用于调整电气总线的双向变换器(BDC)的传递函数也具有相同的电压至电流传递函数，则没有可辨的变化发生。
(2)由于调整器仅在连续传导模式中操作，调整器的传递函数不随着负载电流而改变。因此使用本发明的实施例可以更容易地研制开发带宽大约为3kHz的误差放大器，从而瞬变响应将更迅速且稳定裕度将被改进。
(3)模块固有地共享电流。这在PWM控制器(例如100kHz PWM模块)与由中心放大器控制的低频率功率开关组合时是一种必要特征。对于此处描述的实施例，有可能了解何时转换功率模块(例如一组电流源)并且随后以正确的数量重设至PWM控制器的误差信号，从而调节可能由低频率功率开关引入至电气总线的功率电流瞬态。
本发明的实施例提供总线调整系统，其中可以以这样的方式设计各种变换器，即总线调整器系统的基本控制传递函数为电压控制电流源。例如但非限制地，可能考虑到的至少三种不同总线调整模式为：A)在过电流被分流到接地端的情况下由太阳能电池板或其它功率源进行操作；B)在过电流被分流到电池或其它负载的情况下由太阳能电池板或其它功率源进行操作；C)在太阳能电池板或其它功率源电流不足以支持负载电流的情况下由电池或其它负载进行操作。
若根据本发明的实施例设计控制电路以使得控制电路的基本传递函数包含电压-电流变换器且总线阻抗主要为电容性的，则可设计出在负载(例如航天器负载)从上述每一个总线调整模式转换时稳定且性能良好的反馈系统。特别地，本发明的实施例提供针对过电流被分流到接地端的上述总线调整模式情况(A)的源自太阳能电池板调整器或其它功率源的电压-电流传递函数。
本发明的实施例包含新型PWM控制器设计，其大体上稳定且快速响应负载瞬变。这些实施例也适应中心放大器方法，其中误差放大器输出与一系列电压阈值进行比较，以便功率转换开关可导通/接通以提供额外电流至电气总线。快速调节至PWM开关/控制器的误差信号，以便通过功率开关连接到电气总线的一系列功率源与通过PWM控制开关传递至电气总线的电流的总和大体上等于负载电流。
图1是根据本发明实施例的示范性电压控制电流源总线调整系统100(系统100)的图解。系统100包含升压变换器102、PWM控制器116、电流源104(包含电流ISP)、源端电容/源侧电容128和电气总线106。
升压变换器102包含感应器110、同步开关112(高端同步整流器/FET)和接地侧开关114(低端FET)。升压变换器112可用于调整例如但不限于航天器功率总线、升压侧电容器、卫星功率总线、船舶电气总线、汽车电气总线、电力网电气总线/功率网电气总线、电池总线等等。升压变换器102可耦合到电流源104。此外，升压变换器102可耦合到电气总线106并且将电气总线106上的电压升高至高于电流源104上的电压。
如以下在图2讨论背景下更详细解释的，接地侧开关114耦合到感应器110，并且根据PWM控制器116控制的PWM工作周期耦合感应器110至接地端108。接地侧开关114可包含例如但不限于场效应晶体管(FET)、强制换流同步整流器等等。当接地侧开关114导通时，电流D×ISP通过感应器110流向接地端108。
如以下在图2讨论背景下更详细解释的，同步开关112耦合到感应器110，并且根据PWM工作周期耦合感应器110至电气总线106，从而传递总线电流至电气总线106。同步开关112可包含例如但不限于同步整流器开关、双向同步整流器开关、强制换流同步整流器、场效应晶体管(FET)等等。当同步开关112导通时，电流(1-D)×ISP流向电气总线106。
PWM控制器116被耦合到同步开关112，并且控制PWM工作周期以便总线电流与来自电流源104的源电流和PWM工作周期成比例。以该方式，PWM控制器116生成第一PWM工作周期信号122(PWM’)从而驱动同步开关112，并且生成第二PWM工作周期信号124(PWM)从而驱动接地侧开关114。第一PWM工作周期信号122(PWM’)包含第一PWM工作周期，且第二PWM工作周期信号124(PWM)包含第二PWM工作周期。在图1所示的实施例中，第二PWM工作周期是第一PWM工作周期的逆相(reverse)，且第一PWM工作周期是第二PWM工作周期的逆相。当PWM控制器116以工作周期D运行时，通常，电流D×ISP通过接地侧开关114被分流到接地端108且电流(1-D)×ISP被传递到电气总线106。在下面图2讨论背景下更详细地解释了PWM控制器116。
源端电容器128耦合到感应器110，并且可包含例如但不限于脉动电容器、可操作以减少电流源104上的波动/脉动的电容器等等。通常，源端电容128可置于电流源104(例如太阳能电池阵列)的两侧以减少电流源104上的波动电压。然而，源端电容128和升压变换器102中的感应器110可形成LC滤波器，若LC滤波器不被阻尼，其在低频负载瞬变发生时易于形成环路。
各种实施例可用于阻尼LC滤波器。例如，在一个实施例中，LC滤波器是过阻尼的且因此不形成环路。然而，过阻尼LC滤波器的阻尼电容将是相当大的，因为阻尼电容必须是高频旁路电容的大约3倍，并且对于全总线电压来说阻尼电容必须是额定的。在另一个实施例中，电流模式控制被用于使用峰值电流反馈回路(例如使用峰值电流反馈信号222(lpk FB)，如图2讨论背景下更详细讨论的)来阻尼LC滤波器。又一个实施例包含使用与源端电容128并联耦合的RC电路来阻尼LC滤波器，如图2讨论背景下更详细讨论的。
电流源104可包含功率源，例如但不限于电池(battery)、太阳能电池阵、燃料电池、卫星和航天器及航空器功率源、船载发电机、火车功率源、潜艇功率源、太阳能和引擎致动长效航空器以及航天器(载人的和无人的)功率源、来自反应堆的过热热电偶(super-heated thermalcouple)等等。
电气总线106可包含例如但不限于升压侧电容器、卫星功率总线、船舶电气总线、汽车电汽总线、电力网电气总线、电池总线等等。电气总线106也可包含额外输出电容器126或LC滤波器(未示出)从而减小开关频率波动至可接受水平。
图2是根据本发明实施例的示范性电压控制电流源总线调整系统200(系统200)的图解。系统200包含升压变换器102(图1)和反馈控制回路224。反馈控制回路224包含电压反馈放大器202、PWM控制器116(图1)和内部反馈回路212。
升压变换器102阻尼和/或稳定可能由升压变换器102的感应器110(图1)和源端电容128形成的LC滤波器。升压转换器102可包含峰值电流反馈信号222(lpk FB)。
电压反馈放大器202对电气总线106的电压进行采样，从而基于电气总线106的电压生成电压反馈信号204。包含参考电压的工作周期反馈信号208被差分电路206从电压反馈信号204中减去，从而提供误差信号210(图1中ERR)。
PWM控制器116接收峰值电流反馈信号222(来自升压变换器102)和上述误差信号210(图1中ERR)。然后PWM控制器116生成反馈控制信号214，该反馈控制信号包含第一PWM工作周期信号122(图1)和第二PWM工作周期信号124(图1)。反馈控制信号214控制升压变换器102，进而控制传递至电气总线106(图1)的总线电流。因此，反馈控制信号214的PWM工作周期与峰值电流反馈信号222成比例，且传递至电气总线106的总线电流与误差信号210(电压误差信号/ERR)成比例。如上所述，误差信号210(ERR)基于包含电气总线106的电压的电压反馈信号204与包含参考电压的工作周期反馈信号208的比较。在一个实施例中，PWM控制器116可生成模拟反馈控制信号(未示出)且PWM调制模拟反馈控制信号从而生成与模拟反馈控制信号成比例的反馈控制信号214。
内部反馈回路212包含斩波器/限幅器216和低通滤波器220。内部反馈回路212对反馈控制信号214的PWM工作周期(例如第一PWM工作周期信号122和/或第二PWM工作周期信号124)取平均。限幅器216接收反馈控制信号214并产生平均上与反馈控制信号214的PWM工作周期成比例的波形(例如，a0到5V峰值矩形波形)，且生成限幅信号218。低通滤波器220接收限幅信号218，且生成与反馈控制信号214的工作周期成比例的工作周期反馈信号208(D FB)。低通滤波器220运行从而对反馈控制信号214取平均，因此工作周期反馈信号208包含基于反馈控制信号214的PWM工作周期的平均电压的参考电压。
若电流源104包含恒定电流源(例如太阳能电池板)，则反馈控制回路224可传递与(1-D)成比例的电流到电气总线106。反馈控制回路224的增益与电流源104电流的幅值成比例变化。因此，电压控制电流源总线调整系统200用作电压控制电流源。
电压控制电流源总线调整系统200(PWM误差放大器)强制误差信号210(即电压反馈信号204减去工作周期反馈信号208)为大约0V。因为(1-D)与传递到电气总线106的电流成比例，所以误差信号210与传递到电气总线106的电流成比例。用于稳定LC滤波器的反馈控制回路224不必是电流模式控制。用于稳定LC滤波器的其它方法可包含例如但不限于输入电容器电流的AC电流反馈、集成感应器电压、直接感应器电流测量等等。
在一个实施例中，使用与源端电容128并联耦合的RC电路(未示出)来阻尼LC滤波器。通常，RC电路的阻尼电容必须比源端电容128(LC滤波器电容)大得多，以便LC滤波器加上RC电路的共振频率具有相当低的频率。因此，通常必须选择与阻尼电容器串联的RC电路的电阻器从而以该相当低的频率阻尼LC滤波器。
图3为根据本发明实施例的示范性流程图的图示，其示出电压控制电流源总线调整过程300。结合过程300执行的各种任务可通过软件、硬件、固件或其任意组合机械地执行。应当理解，过程300可包括任意数目的附加或可选任务，图3示出的任务不需按示出的顺序执行，并且过程300可包括在更全面的程序或具有未在此描述的附加功能的过程中。
为了说明性的目的，下面对过程300的描述可参考上述结合图1-2提及的元件。在实际的实施例中，过程300的一些部分可由系统100-200的不同元件执行，诸如：升压变换器102、电流源104、电气总线106、电压反馈放大器202、PWM控制器116、限幅器216、低通滤波器220等。过程300可具有类似于图1-2中所示实施例的功能、材料和结构。因此，共同特征、功能和元件不在此赘述。
过程300可开始于在耦合到感应器110和接地端108的接地侧开关114接收充电电流(D×ISP，如图1所示)(任务302)。
过程300可继续根据第二PWM工作周期信号124使用接地侧开关114控制充电电流(D×ISP，如图1所示)(任务304)。第二PWM工作周期信号124包含用作为感应器110充电的充电PWM工作周期的第二PWM工作周期。
过程300可继续使用充电电流(D×ISP，图1)为感应器110充电(任务306)。
过程300可继续根据第一PWM工作周期信号122使用同步开关112控制从电流源104传递至电气总线106的总线电流((1-D)×ISP，图1)(任务308)。如上所述，第一PWM工作周期信号122包含第一PWM工作周期。
过程300可继续控制PWM工作周期与基于电气总线106的电压和包含参考电压的工作周期反馈信号208的比较的误差信号210成比例(任务310)。
过程300可继续使用总线电流((1-D)×ISP，图1)对电气总线106进行电压调整(任务312)。
图4是根据本发明实施例的示范性流程图的图示，其示出电压控制电流源总线调整器操作过程400。结合过程400执行的各种任务可通过软件、硬件、固件或其任意组合机械地执行。应当理解，过程400可包括任意数目的附加或可选任务，图4示出的任务不需按示出的顺序执行，并且过程400可包括在更全面的程序或具有未在此描述的附加功能的过程中。
为了说明性的目的，下面对过程400的描述可参考上面结合图1-2提到的元件。在实际的实施例中，过程400的一些部分可由系统100-200中不同的元件执行，诸如：升压变换器102、电流源104、电气总线106、电压反馈放大器202、PWM控制器116、限幅器216、低通滤波器220等。过程400可具有类似于图1-2中所示实施例的功能、材料和结构。因此，共同特征、功能和元件不在此赘述。
过程400可开始于接收充电电流(D×ISP，图1)(任务402)。
过程400可继续使用耦合到感应器110和接地端108的接地侧开关114根据第二PWM工作周期信号124控制通过感应器110的充电电流流动(D×ISP，图1)(任务404)。如上所述，第二PWM工作周期信号124包含作为用于为感应器110充电的充电PWM工作周期的第二PWM工作周期。
过程400可继续使用同步开关例如耦合到感应器110和接地侧开关114的同步开关112根据第一PWM工作周期信号122控制从感应器110至电气总线106的感应器电流流动((1-D)×ISP，图1)(任务406)。如上所述，第一PWM工作周期信号122包含与反馈控制信号214成比例的第一PWM工作周期，且反馈控制信号214的PWM工作周期与峰值电流反馈信号222成比例。
过程400可继续耦合电气总线106到同步开关112(任务408)。进入电气总线106的总线电流与基于电气总线106的电压反馈信号204和包含参考电压的工作周期反馈信号208的比较(例如通过差分电路206实现)的误差信号210成比例。
过程400可继续使用反馈控制回路224来阻尼包含感应器110和源端电容128的LC滤波器(任务410)。
可替换地，过程400可继续使用与源端电容128并联耦合的RC电路来阻尼LC滤波器(任务412)。
以该方法，本发明实施例提供在过电流被分流到接地段的情况下来自功率源调整器的电压-电流传递函数。以该方式，电压控制电流源提供总线调整系统，其相比之前设计更容易稳定且更迅速地响应负载瞬变，同时当使用一组电流源时阻止了各种操作模式之间可辨别的变化的出现。
以上描述提到“被连接的”或“耦合到”一起的元件或结点或部件。如这里所用，除非另有明确规定，“被连接的”表示一个元件/结点/部件直接结合到(或直接与其通信)另一个元件/结点/部件，而不必机械性地连接。同样地，除非另外明确指出，“耦合到”表示一个元件/结点/部件直接或间接结合到(或直接或间接与其通信)另一个元件/结点/部件，而不必机械性地耦合。因此，虽然图1-2描述了元件的示例性布置，但额外的居间元件、器件、部件、或组件可出现在本公开的实施例中。
在本文件中使用的术语和短语，以及其变体，除非另有明确指出，应理解为开放式的而非限制性的。如前述的示例：术语“包括”应理解为“包括，但不限于”等等；术语“示例”用于提供讨论项的示范实例，而不是详尽的或限制性列举；以及形容词如“常规的”、“传统的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”和类似意义术语不应理解将所述项限制于给定的时间周期或限制于给定时间内可得到的项，而应理解为包括在现在及将来的任何时间可得到或已知的常规的、传统的、正常的、或标准技术。
同样的，由连词“和”连接的一组项不应理解为要求这些项中每个和每一项存在于分组中，而是理解为“和/或”，除非另外明确指出。类似地，由连词“或”连接的一组项不应理解在该组中互斥，而是理解为“和/或”，除非另外明确指出。此外，虽然本发明中项、元件或组件以单数形式描述或宣称，但复数形式也考虑在其范围之内，除非对单数形式有明确指出的限制。增宽单词或短语的使用如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”或某些情形中的其他短语不能解读为在无这类增宽短语的情形中意欲或要求较窄情形。

Claims (12)

1.一种用于总线调整的电压控制电流源，其包含：
感应器，其可操作以耦合到电流源；以及
同步开关，其耦合到所述感应器并且根据第一脉冲宽度调制即PWM工作周期可操作以耦合所述感应器到电气总线，从而传递总线电流至所述电气总线；以及
PWM控制器，其耦合到所述同步开关，且可操作以控制所述第一PWM工作周期，以便所述总线电流与来自所述电流源的源电流和所述第一PWM工作周期成比例。
2.根据权利要求1所述的用于总线调整的电压控制电流源，其中所述第一PWM工作周期与反馈控制信号成比例。
3.根据权利要求1所述的用于总线调整的电压控制电流源，其中所述总线电流与基于所述电气总线的电压和参考电压的比较的误差信号成比例；以及
所述参考电压基于PWM工作周期的平均电压。
4.根据权利要求1所述的用于总线调整的电压控制电流源，其中所述同步开关是同步整流器开关；以及
所述电气总线包含选自由以下构成的组的至少一个总线：航天器功率总线、卫星功率总线、船舶电气总线、汽车电气总线和电力网电气总线。
5.根据权利要求1所述的用于总线调整的电压控制电流源，其进一步包含接地侧开关，所述接地侧开关耦合到所述感应器并且根据由所述PWM控制器控制的第二PWM工作周期可操作以耦合所述感应器到接地端。
6.根据权利要求1所述的用于总线调整的电压控制电流源，其进一步包含耦合到所述感应器的所述电流源；以及
其中所述电气总线上的电压高于所述电流源上的电压。
7.根据权利要求6所述的用于总线调整的电压控制电流源，其中所述电流源包含选自由以下构成的组的至少一个功率源：太阳能电池阵列、电池、燃料电池和发电机。
8.根据权利要求1所述的用于总线调整的电压控制电流源，其进一步包含耦合到所述感应器的电容器，其中所述电容器可操作以减小耦合到所述感应器的所述电流源上的波动。
9.一种用于电压控制电流源总线调整的方法，所述方法包含：
根据第一PWM工作周期使用同步开关控制从电流源传递至电气总线的总线电流；以及
控制所述第一PWM工作周期与基于所述电气总线的电压和参考电压的比较的误差信号成比例。
10.根据权利要求9所述方法，其中所述同步开关包含同步整流器开关。
11.根据权利要求9所述方法，其进一步包含：
在耦合到感应器和接地端的接地侧开关处接收充电电流；
基于所述第一PWM工作周期的逆相使用所述接地侧开关控制所述充电电流；以及
使用所述充电电流为所述感应器充电。
12.根据权利要求9所述方法，其进一步包含使用所述总线电流对所述电气总线进行电压调整。
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