CN103532373B - 开关稳压器输出电容器电流估计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及开关稳压器输出电容器电流估计。一种开关稳压器，包括控制器和用于通过电感器和电容器耦合到负载的功率级。所述控制器可操作成经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的脉宽调制(PWM)信号来控制功率级的操作，并且以比负载电压更低的速率来采样电感器电流。所述控制器进一步可操作成基于采样的负载电压来估计电容器电流，基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移，以及基于所述偏移来调整施加到所述功率级的PWM信号。所述开关稳压器可以是单相或者多相的。

Description

开关稳压器输出电容器电流估计
技术领域
本发明涉及开关稳压器，特别是针对开关稳压器的输出电容器电流估计。
背景技术
电子设备，例如微处理器，图形处理器，网络处理器，数字信号处理器等等，必须经常对大型步进式负载瞬态非常快速地做出响应。开关功率转换器优选具有电压响应，其紧密跟随理想的目标电压，同时降低环回(ring back)。具有这样的瞬态响应的系统通常在负载变化的宽频率范围上表现良好。传统的开关稳压器通常提供自适应电压定位(AVP)，其中电压以高速率被采样，并且电感器电流以低得多的速率被采样。在负载变化时，由于低电感器电流采样率，AVP环路将高延迟引入到控制系统中，并且引起环回和不利的电压响应。AVP的益处之一是来自周期性重复的负载步进(load step)的电压偏移被最小化，降低了有效输出阻抗。其他的开关稳压器使用具有高采样率和低延迟的高性能电流ADC(模数转换器)来最小化电流环路中的延时，以及强制环路尽可能快地反应。这种解决方案是昂贵的，需要芯片上的大面积，也消耗更多的功率。
发明内容
根据操作开关稳压器的方法的一个实施例，所述开关稳压器具有通过电感器和电容器耦合到负载的功率级，所述方法包括：经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的脉宽调制(PWM)信号来控制该功率级的操作；以比负载电压更低的速率来采样电感器电流；基于采样的负载电压来估计电容器电流；基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移；以及，基于该偏移来调整施加到该功率级的PWM信号。所述开关稳压器可以是单相或者多相的，并且电容器可以是单个电容器或者是并联的电容器组。
根据开关稳压器的一个实施例，所述开关稳压器包括控制器和通过电感器和电容器耦合到负载的功率级。所述控制器可操作成经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的PWM信号来控制该功率级的操作，并且以比该负载电压更低的速率来采样电感器电流。该控制器可进一步操作成基于采样的负载电压来估计电容器电流，基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移，以及基于该偏移来调整施加到该功率级的PWM信号。所述开关稳压器可以是单相或者多相的。
根据多相开关稳压器的一个实施例，所述多相开关稳压器包括控制器和包括多个相的功率级，其中每一相通过不同的电感器和输出电容器耦合到负载。该控制器可操作成以比负载电压更低的速率来采样用于所有相的总电感器电流，基于采样的负载电压来估计输出电容器电流，以及基于采样的总电感器电流和估计的输出电容器电流来调整施加到每一相的PWM信号。
本领域技术人员在阅读以下详细描述并且查看附图时将认识到附加的特征和优点。
附图说明
附图中元件并不一定是相对于彼此按比例的。相同的附图标记表示对应的类似部分。各种所图示的实施例的特征可以被组合，除非它们相互排斥。实施例在附图中被描绘，并且在下面的描述中被详细说明。
图1图示出了具有快速负载瞬态响应的开关稳压器的一个实施例的框图。
图2图示出了具有快速负载瞬态响应的开关稳压器的一个实施例的框图。
图3是图示出了在有和没有快速负载瞬态响应补偿的情况下，开关稳压器的输出电压和目标电压的曲线图。
图4图示出了具有快速负载瞬态响应和监控单元的开关稳压器的一个实施例的框图。
图5图示出了包括在图4的开关稳压器中的监控单元的一个实施例的框图。
具体实施方式
此处描述的实施例通过使用快速负载电压采样代替快速电流ADC来为开关稳压器提供快速负载瞬态响应。这里描述的快速负载瞬态响应技术可以被应用到任意开关稳压器架构，包括：降压；升压；降压-升压；反激(flyback)；推挽(push-pull)；半桥；全桥；和SEPIC(单端初级电感器转换器)。降压转换器将DC电压降低到更低的DC电压。升压转换器提供比输入更高的输出电压。降压-升压转换器生成与输入在极性上相反的输出电压。反激转换器生成比输入更低或更高的输出电压，以及多个输出。推挽转换器是两晶体管转换器，其在低输入电压时尤其有效。半桥转换器是用于许多离线应用中的两晶体管转换器。全桥转换器是通常用于可以生成非常高的输出功率的离线设计中的四晶体管转换器。SEPIC是一种类型的DC-DC转换器，其允许在其输出处的电压高于、低于、或等于在其输入处的电压。
对于每种类型的开关稳压器架构，通过提供对进入AVP环路中的输出电容器电流的成比例估计来实现快速负载瞬态响应。基于采样的负载电压而非采样的相电感器电流来生成输出电容器电流估计，负载电压以比电感器电流更高的速率而被采样。
接下来描述的是快速负载瞬态响应技术的实施例，其在开关模式降压转换器的情境中被解释。本领域技术人员将意识到，此处描述的快速负载瞬态响应实施例可以在较小修改(如果有的话)的情况下被容易地应用到其他开关稳压器架构。这样的修改充分处于本领域普通技术人员的能力之内，而不需要过多的实验。
图1图示出了开关模式降压转换器的一个实施例的框图，该开关模式降压转换器包括功率级100，其被耦合到负载102，例如微处理器，图形处理器，网络处理器，数字信号处理器，等等。功率级100可以具有一个或多个相104，即开关模式降压转换器可以是负载电流由单个相104所供应的单相开关稳压器，或者是负载电流由多个相104所供应的多相开关稳压器。功率级100的每个相104包括由对应的驱动器101、103所驱动的高侧晶体管(HS)和低侧晶体管(LS)。每一相104通过不同的电感器(L)来提供电流(Iphm)到负载102。通过每一相104提供的电流的量取决于针对该相104的高侧和低侧晶体管的开关状态。如图1中所示，输出电容器(C)也在相电感器和负载102之间被耦合到负载102。不同的相(电感器)电流由组合器105组合成总(电感器)电流(Iph_total)。
功率级100的操作通过由控制器106生成的脉宽调制(PWM)信号来被控制。为此，控制器106包括PWM控制单元108，其为功率级100的每个相104生成PWM信号。基于提供到开关模式降压转换器的参考电压(Vref)与负载电压(Vo)之间的差来生成一个或多个PWM信号。在一些实施例中，参考电压对应于与负载102相关联的电压标识(VID)。所述VID决定稳压器设定点，即当负载电流为零时稳压器的目标电压。
控制器106还包括第一ADC110，其用于采样负载电压(Vo)，以及第二ADC112，其针对采样功率级100的所有相104的总电感器电流(Iph_total)。以比负载电压采样率(Fs)更低的速率(Fs_iadc)来采样一个或多个电感器电流。控制器106进一步包括输出电流补偿单元114，其用于基于采样的负载电压来估计输出电容器电流AVP116生成对参考电压(Vref)的偏移(Vavp)，其偏移了与采样的总电感器电流(Isen)成比例的量。AVP116基于采样的总电感器电流和估计的电容器电流来生成偏移电压。将采样的总电感器电流通过输出电流补偿单元114作为电容器电流的成比例估计(Vcom)呈现给AVP116。
在一个实施例中，输出电流补偿单元114包括输出电容器电流估计器118，其以负载电压采样率(Fs)而不以较慢的电感器电流采样率(Fs_iadc)来估计输出电容器的电流。以较快的负载电压采样率估计输出电容器电流补偿了AVP电流环路中所涉及的延迟，该AVP电流环路包括一个或多个较慢的电流ADC112，一个或多个AVP滤波器120，等等，并且能够使得开关稳压器的目标电压能够更快速地对负载变化做出反应，降低系统延迟。
在一个实施例中，输出电容器电流估计器118如由以下所给出的来估计输出电容器的电流
其中TS是负载电压的采样周期，C是输出电容器的电容，以及VO是采样的负载电压。在公式(1)中忽略了电容器ESR(等效串联电阻)的效应。电容器可以是单个电容器或者是并联的电容器组。
在另一实施例中，输出电容器电流估计器118在估计电容器电流时考虑了电容器的ESR。根据该实施例，输出电容器电流估计器118是数字滤波器，其具有被设置为表示输出电容器的ESR的预定值的系数。该电容器的电容器ESR和电容(C)被提供给输出电容器电流估计器118，该电容器电流估计器118如以下所给出的来设置滤波器系数(Kp_esr)：
Kp_esr＝Ts/(ESR*C) 2)
基于滤波器系数Kp_esr如以下所给出的来估计输出电容器电流
在公式(3)中，通过补偿电容器的ESR基于采样的负载电压(VO)来生成输出电容器电流的更精确的估计。对于并联连接的电容器组，通过输出电容有效阻抗的零位置来设置输出电容器有效ESR。
输出电流补偿单元114进一步包括将估计的电容器电流转换成电压的增益元件122，所述电压通过死区滤波器124而被滤波，使得由输出电流补偿单元114生成的电压(Vcom)仅在瞬态负载条件期间、即仅当负载电流的突变发生时为非零。滤波的电压(Vcom)被提供到AVP116。
AVP116包括增益模块126，其用于将采样的总电感器电流(Isen)转换成对应电压。从由AVP116的增益模块126所提供的电压中减去由输出电流补偿单元114所提供的电压(Vcom)。将得到的差电压通过以负载电压采样率(Fs)运行的AVP滤波器120进行滤波，并且将其从采样的负载电压(Vo)中减去。这两个电压之间的差构成了误差信号(e)，所述误差信号(e)被输入到控制器106的补偿器128。在一个实施例中，补偿器128是PID(比例-积分-微分)滤波器，其实现了以误差电压(e)作为输入和占空比作为输出的补偿器传递函数。同样地，提供到开关稳压器的功率级100的一个或多个PWM信号的占空比基于由AVP116所生成的偏移(Vavp)。该偏移进而基于如本文先前所描述的输出电容器电流估计
PWM控制单元108将数字占空比表示转换成控制功率级100的开关状态、即控制功率级100的每一相104的开关状态的PWM波形。稳压器的瞬态响应是PWM占空比的函数，并且因此是相对快的，因为输出电容器电流估计是基于负载电压(Vo)而生成，该负载电压(Vo)以比相电感器电流更快的速率来被采样。
图2图示出了与图1中示出的实施例相似的开关模式降压转换器的一个实施例的框图，不过AVP116具有用于每相电流Iphm的单独的ADC112。ADC输出被求和以产生总感测相电流Isen，其被AVP116用来生成如本文先前所描述的偏移电压(Vavp)。相反，图1中所示的开关模式降压转换器首先将相电流组合，并然后使用单个ADC112来采样总(组合)相电流。同样地，相电流可以在电流ADC过程之前或之后被组并。在图1和2的实施例之间还有不同是由AVP116所生成的偏移电压(Vavp)是在输出电压(Vo)之前还是之后被结合到电压反馈环路中。在图1中，在将Vref与Vo组合后将Vavp引入到电压反馈环路中。相反，根据图2中图示出的实施例，将Vavp与Vref组合，并且将差电压通过DAC(数模转换器)121转换到模拟域。然后将得到的模拟差电压与Vo组合，并重新转换到数字域，用于如本文先前所描述的进一步处理。
图3是示出了在有和没有本文描述的快速负载瞬态响应补偿的情况下，开关稳压器输出电压(Vo)和目标电压(Vtgt)的曲线图。目标电压Vtgt对应于Vref-Vavp，并且在有快速负载瞬态响应补偿的情况下对瞬态负载条件更快做出反应。此外，在有快速负载瞬态响应补偿的情况下，输出电压具有更少的环回。
图4图示出了与图1中所示的实施例类似的开关模式降压转换器的另一实施例的框图，不过根据图4中示出的实施例，控制器106进一步包括监控单元130。该监控单元130接收采样的总电感器电流(Isen)和输出电容器电流估计作为输入。监控单元130可以使用输出电容器电流估计以用于监控开关稳压器的操作状态，并为更好地调试故障提供有用信息。在一个实施例中，监控单元130提供采样的总电感器电流和估计的电容器电流作为开关稳压器的外部输出。监控单元130也可以提供负载电流(ILoad)作为外部输出，其中
图5图示出了监控单元130的一个实施例。该监控单元130可以被数字地实现在芯片中。对监控单元130的输入是来自AVP116的采样的总电感器电流(Isen)和来自输出电流补偿单元114的电容器电流估计在芯片中这两个信号是可用的。负载电流估计(Iload)等于采样的总电感器电流减去电容器电流估计。多路复用器132可被用于选择这些信号之一，或所有三个信号可被同时提供。多路复用器132被连接到DAC(数模转换器)134，该DAC134在开关稳压器外部呈现模拟信号值。在所有三个信号被同时提供的情况下，为每个信号提供DAC。在所有情况下，DAC134以通常低于负载电压采样率(Fs)的速率(Fs_DAC)运行。
诸如“第一”，“第二”等之类的术语，被用于描述各种元素、区域、部分等等，并且也不意在是限制性的。遍及该描述，相同的术语指代相同元素。
如这里使用的术语“具有”，“还有”，“包含”、“包括”等等是开放式术语，其指示所陈述的元素或特征的存在，但不排除附加的元素或特征。冠词“一”，“一个”(“a”、“an”)和“该(the)”意图包括复数以及单数，除非上下文明确另有指示。
要理解的是，这里所描述的各种实施例的特征可以与彼此组合，除非另外被具体指出。
尽管这里说明和描述了具体的实施例，但本领域技术人员将能理解，在不脱离本发明的范围情况下，各种替代的和/或等效的实施方式可以代替所示出和描述的具体实施例。本申请意在覆盖这里所讨论的具体实施例的任何改编或变形。因此，所意在的是，本发明仅由权利要求及其等同物所限制。

Claims (22)

1.一种操作开关稳压器的方法，所述开关稳压器具有通过电感器和电容器耦合到负载的功率级，所述电容器为单个电容器或并联的电容器组，所述方法包括：
经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的脉宽调制信号来控制所述功率级的操作；
以比采样所述负载电压更低的速率来采样电感器电流；
基于采样的负载电压来估计电容器电流；
基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移；
通过所述偏移来调整所述参考电压；以及
基于调整的参考电压来调整施加到所述功率级的脉宽调制信号。
2.根据权利要求1的方法，其中基于所述偏移调整施加到所述功率级的脉宽调制信号包括基于所述偏移调整所述脉宽调制信号的占空比。
3.根据权利要求1的方法，其中基于采样的电感器电流和估计的电容器电流生成所述偏移包括：
从采样的电感器电流生成第一电压值；
将估计的电容器电流转换成第二电压值；以及
从所述第一电压值减去所述第二电压值。
4.根据权利要求1的方法，进一步包括当估计所述电容器电流时考虑所述电容器的等效串联电阻。
5.根据权利要求4的方法，其中使用数字滤波器来估计所述电容器电流，并且通过将所述数字滤波器的系数设置为表示所述等效串联电阻的预定值，来在估计所述电容器电流时考虑所述电容器的所述等效串联电阻。
6.根据权利要求3的方法，进一步包括对所述第二电压值进行滤波，使得所述第二电压值仅在瞬态负载条件期间为非零。
7.根据权利要求1的方法，其中将所述电容器电流估计为所述采样的负载电压、所述电容器的电容、所述负载电压的采样频率和所述电容器的等效串联电阻的函数。
8.根据权利要求1的方法，进一步包括提供采样的电感器电流、估计的电容器电流和负载电流中的至少一个作为所述开关稳压器的外部输出。
9.根据权利要求1的方法，其中所述开关稳压器是多相开关稳压器，并且所述功率级包括多个相，每个相通过不同的电感器被耦合到所述负载，其中每个相的操作通过基于所述参考电压和所述负载电压之间的差所生成的不同的脉宽调制信号而被控制，其中每个电感器电流以比采样所述负载电压更低的速率而被采样，其中基于所述电感器电流与估计的电容器电流之和为每个相生成对参考电压的偏移，并且其中基于所述偏移来调整施加到每个相的脉宽调制信号。
10.一种开关稳压器，包括：
功率级，用于通过电感器和电容器耦合到负载；以及
控制器，其可操作成：
经由基于参考电压和负载电压之间的差所生成的脉宽调制信号来控制所述功率级的操作；
以比采样所述负载电压更低的速率来采样电感器电流；
基于采样的负载电压来估计电容器电流；
基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移；
通过所述偏移来调整所述参考电压；以及
基于调整的参考电压来调整施加到所述功率级的脉宽调制信号。
11.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器可操作成基于所述偏移来调整所述脉宽调制信号的占空比。
12.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器可操作成从采样的电感器电流生成第一电压值，将估计的电容器电流转换成第二电压值，以及从所述第一电压值减去所述第二电压值以生成所述偏移。
13.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器进一步可操作成当估计所述电容器电流时考虑所述电容器的等效串联电阻。
14.根据权利要求13的开关稳压器，其中所述控制器可操作成使用数字滤波器来估计所述电容器电流，并且通过将所述数字滤波器的系数设置为表示所述等效串联电阻的预定值，来在估计所述电容器电流时考虑所述电容器的所述等效串联电阻。
15.根据权利要求12的开关稳压器，其中所述控制器进一步可操作成对所述第二电压值进行滤波，使得所述第二电压值仅在瞬态负载条件期间为非零。
16.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器可操作成将所述电容器电流估计为所述采样的负载电压、所述电容器的电容、所述负载电压的采样频率和所述电容器的等效串联电阻的函数。
17.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述控制器进一步可操作成提供采样的电感器电流、估计的电容器电流和负载电流中的至少一个作为所述开关稳压器的外部输出。
18.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述开关稳压器是多相开关稳压器，并且所述功率级包括多个相，每个相通过不同的电感器和相同的电容器被耦合到所述负载，其中所述控制器可操作成通过基于所述参考电压和所述负载电压之间的差所生成的不同的脉宽调制信号来控制每个相的操作，其中所述控制器可操作成以比采样所述负载电压更低的速率来采样每个电感器电流，其中所述控制器可操作成基于所述电感器电流与估计的电容器电流之和来为每个相生成对所述参考电压的偏移，并且其中所述控制器可操作成基于所述偏移来调整施加到每个相的脉宽调制信号。
19.根据权利要求10的开关稳压器，其中所述电容器为单个电容器或并联的电容器组。
20.一种多相开关稳压器，包括：
功率级，其包括多个相，每个相通过不同的电感器和输出电容器耦合到负载；以及
控制器，其可操作成以比采样负载电压更低的速率来采样针对所有相的总电感器电流，基于采样的负载电压来估计输出电容器电流，基于采样的电感器电流和估计的电容器电流来生成对参考电压的偏移，通过所述偏移来调整所述参考电压，以及基于调整的参考电压来调整施加到每个相的脉宽调制信号。
21.根据权利要求20的多相开关稳压器，其中所述控制器进一步可操作成提供采样的总电感器电流和估计的输出电容器电流作为多相开关稳压器的外部输出。
22.根据权利要求20的多相开关稳压器，其中所述输出电容器为单个电容器或并联的电容器组。
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