CN104052313B - 消除数字信号控制器上电期间的随机脉冲的方法和装置 - Google Patents

消除数字信号控制器上电期间的随机脉冲的方法和装置 Download PDF

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Abstract

切换模式电力转换器包括具有在正常操作期间被配置为用于互补操作模式的数字PWM模块的DSC。DSC的控制算法被配置为使得在紧随设备的上电的初始化阶段期间，用于交叉操作的相关的数字PWM被重新配置为临时操作在独立操作模式中，其中与每个信道相关联的占空比被设定为零。重新配置的数字PWM模块保持为设定在独立操作模式中一段预定义时间段。一旦达到预定义时间段，重新配置的数字PWM模块再次被重新配置回原始互补操作模式配置并且控制算法重新开始DSC和数字PWM模块的正常操作。

Description

消除数字信号控制器上电期间的随机脉冲的方法和装置
技术领域
本发明通常针对电源领域。更具体地，本发明针对在AC到DC电源中从数字信号控制器的上电期间的脉宽调制输出消除随机脉冲。
背景技术
数字信号控制器(DSC)包括微控制器和数字信号处理器(DSP)的功能。与微控制器类似，典型的DSC包括诸如脉宽调制(PMW)模块和定时器的受控外围器件。与DSP类似，典型的DSC包括单周期乘法累加(MAC) 单元、桶形移位器和大的累加器。虽然这种微控制器包括通常与DSP相关联的添加的功能，但是并不是全部供应商采用术语DSC，一些供应商继续使用术语微控制器。DSC在广泛的应用中使用，包括但不限于，电力转换、马达控制和传感器处理应用。
PWM模块通常用于控制向诸如电气设备的负载传送的电力。PWM模块生成驱动开关的PWM信号。通过将开关接通和断开来控制向负载馈送的电压(和电流)的平均值。与断开相比，开关接通的时间越长，向负载供应的电力越高。占空比描述PWM信号的接通时间与总时段的比例。低占空比与低电力对应，因为对于大多数时间，电力断开。占空比以百分比表示，100％是完全接通。PWM根据可以容易地设定所需的占空比的数字控制的接通/断开性质良好运行。
DSC供应商通常将DSC设计为包括通用数字PWM模块。留给安装DSC 的设备制造商来具体地配置数字PWM模块。DSC被配置为执行向数字PWM 部分地提供输入用于控制占空比的控制算法。在DSC被用在切换模式电力转换器的情况下，控制数字PWM的占空比使得能够调节电力转换输出电压。
将数字PWM配置为具有多个信道用于交叉(interleaving)操作是数字 PWM的常见应用。在示例应用中，DSC被包括在具有带有两个信道的PWM 模块的切换模式电力转换器中。数字PWM被配置为操作在两个操作模式之一中，独立操作模式和互补操作模式。在独立操作模式中，两个信道独立于彼此地操作，例如每个信道的占空比是独立的。在互补操作模式中，两个信道中的每一个作为彼此的互补而相关，其中第二信道的PWM信号从第一信道的PWM信号相移180度。例如，如果第一信道操作在10％的占空比，则第二信道操作在90％的占空比。因此，在互补操作模式中，信道不能独立操作。相反，第二信道的占空比被限制为第一信道占空比的互补。在控制DSC 的固件中设定所述模式。
互补操作模式是用于实现电力因素校正(power factor correction，PFC) 交叉操作的期望的脉宽的常见操作模式。然而，由某些供应商提供的DSC当被配置为用于互补操作模式时受到设备上电期间的随机脉冲的影响。上电是紧随设备接通且设备稳定在正常操作状况之后时间段。在供电的情况下，由于PFC前端电路内磁分量的饱和，来自数字PWM的随机脉冲输出可能损坏或破坏PFC前端电路。
发明内容
实施例针对消除设备的上电期间的随机脉冲的方法。在示例应用中，切换模式电力转换器包括具有在正常操作期间被配置为用于互补操作模式的数字PWM模块的DSC。所述方法被实现为对DSC的控制算法的修改，使得在紧随设备的上电的初始化阶段期间，用于交叉操作的相关的数字PWM模块被重新配置为临时操作在独立操作模式中，其中与每个信道相关联的占空比被设定为零。重新配置的数字PWM模块保持为设定在独立操作模式中一段预定义时间段。在一些实施例中，DSC内的定时器用于计数预定义时间段。一旦达到预定义时间段，重新配置的数字PWM模块再次被重新配置回原始互补操作模式配置并且控制算法重新开始DSC和数字PWM模块的正常操作。以该方式修改控制算法使能精确控制定时，使得操作模式改变回原始设定仅发生在随机脉冲可以发生但在用于正常操作的具有期望占空比的第一常规PWM信号输出之前的间隔之后。
在一方面中，公开一种消除设备的上电期间的随机脉冲的方法。所述方法包括将切换模式电源(switching mode power supply)内的一个或多个数字脉宽调制器中的每一个配置为操作在独立操作模式和互补操作模式中。所述方法还包括在切换模式电源的上电时，在独立操作模式中操作每个数字脉宽调制器，并且继续在独立操作模式中操作每个数字脉宽调制器预定时间段。所述方法还包括在预定时间段到期之后，将每个数字脉宽调制器的操作从独立操作模式改变为互补操作模式，其中改变操作在初始化阶段期间发生。所述方法还包括在初始化阶段之后的正常操作期间，在互补操作模式中操作每个数字脉宽调制器。所述方法还包括监视定时计数器值并且将定时计数器值与预定时间段相比较。定时计数器值可以由软件计数器提供。每个数字脉宽调制器可以包括多个信道，每个信道供应具有定义的占空比的脉宽调制信号，其中一个或多个数字脉宽调制器被配置为用于电力因素校正交叉操作。在初始化阶段期间的独立操作模式中时每个信道的占空比可以被设定为零。正常操作可以是正常电力因素校正交叉操作。一个或多个数字脉宽调制器中的每一个当在互补操作模式中操作时可以在上电期间生成随机脉冲。
在另一方面中，公开一种消除设备的上电期间的随机脉冲的另一方法。所述方法包括将切换模式电源内的数字脉宽调制器配置为操作在独立操作模式和互补操作模式中，其中数字脉宽调制器以定义的占空比操作用于电力因素校正交叉操作。所述方法还包括在切换模式电源的上电时，在独立操作模式中操作数字脉宽调制器，并且继续在独立操作模式中操作数字脉宽调制器预定时间段。所述方法还包括在预定时间段到期之后，将数字脉宽调制器的操作从独立操作模式改变为互补操作模式，其中改变操作在初始化阶段期间发生。所述方法还包括在初始化阶段之后的正常电力因素校正交叉操作期间，在互补操作模式中操作数字脉宽调制器。所述方法还包括监视定时计数器值并且将定时计数器值与预定时间段相比较。定时计数器值可以由软件计数器提供。数字脉宽调制器可以包括多个信道，每个信道供应具有定义的占空比的脉宽调制信号。在初始化阶段期间的独立操作模式中时每个信道的占空比可以被设定为零。数字脉宽调制器当在互补操作模式中操作时可以在上电期间生成随机脉冲。
在再一方面中，公开一种用于消除上电期间的随机脉冲的装置。所述装置包括各个被配置为操作在独立操作模式和互补操作模式中的一个或多个数字脉宽调制器。所述装置还包括耦接到一个或多个数字脉宽调制器的处理器。所述处理器包括被配置为在装置的上电时，在独立操作模式中操作每个数字脉宽调制器，并且继续在独立操作模式中操作每个数字脉宽调制器预定时间段的程序指令。所述程序指令还被配置为在预定时间段到期之后，将每个数字脉宽调制器的操作从独立操作模式改变为互补操作模式，其中改变操作在初始化阶段期间发生。所述程序指令还被配置为在初始化阶段之后的正常操作期间，在互补操作模式中操作每个数字脉宽调制器。所述程序指令还被配置为监视定时计数器值并且将定时计数器值与预定时间段相比较。所述装置还可以包括软件计数器并且可以由软件计数器提供定时计数器值。每个数字脉宽调制器可以包括多个信道，每个信道供应具有定义的占空比的脉宽调制信号，其中一个或多个数字脉宽调制器被配置为用于电力因素校正交叉操作。所述程序指令还被配置为在初始化阶段期间的独立操作模式中时将每个信道的占空比设定为零。正常操作可以是正常电力因素校正交叉操作。一个或多个数字脉宽调制器中的每一个当在互补操作模式中操作时可以在上电期间生成随机脉冲。所述处理器可以是数字信号控制器或微控制器。
附图说明
参考附图描述了若干示例实施例，其中相似组件具备相似参考标号。示例实施例意图图示但不意图限制本发明。附图包括下列图形：
图1图示在数字控制下用于向服务器供应电力的切换模式电源单元。
图2图示在正常操作期间处于独立操作模式中的数字PWM模块1信道 A(M1CHA)的示例输出波形。
图3图示在正常操作期间处于与示例数字PWM模块2信道B(M2CHB) 的互补操作模式中的数字PWM模块2信道A(M2CHA)的示例输出波形。
图4图示在正常操作期间处于与M2CHA的互补操作模式中的M2CHB 的示例输出波形。
图5图示在上电期间处于互补操作模式中的M2CHB的示例输出波形。
图6图示在上电期间M2CHA的示例输出波形。
图7图示在具有软件计数器的情况下处于互补操作模式中的M2CHB的示例输出波形。
图8图示在具有一个时间延迟的情况下处于互补操作模式中的M2CHB 的示例输出波形。
图9图示在具有N个时间延迟的情况下处于互补操作模式中的M2CHB 的示例输出波形。
图10图示在具有N+1个时间延迟的情况下处于互补操作模式中的 M2CHB的示例输出波形。
图11图示根据实施例的初始化算法。
具体实施方式
本申请的实施例针对消除DSC的上电期间的随机电压脉冲的方法。本领域普通技术人员将认识到所述方法的下列详细描述仅是示意性的并且不意图以任何方式进行限制。受益于本公开的这种技术人员将容易地想起所述方法的其他实施例。
现在将详细做出对如附图中图示的所述方法的实现方式的参考。相同参考指示符在整个附图和下列详细描述中将用于指代相同或相似部件。为清楚起见，并未示出和描述在此描述的实现方式的全部常规特征。当然，将理解在任何这种实际实现方式的开发中，必须做出许多具体实现方式决定以实现开发者的具体目标，诸如符合应用和企业有关的限制，并且这些具体目标在一种实现方式与另一种实现方式之间以及在一个开发者与另一开发者之间不同。此外，将理解这种开发工作可能是复杂的和耗时的，但仍然是受益于本公开的本领域普通技术人员的例行工程工作。
在下面描述的示例应用中，将在上电期间从数字PWM模块消除随机脉冲的方法应用于切换模式电源。应理解该应用仅是示例性的并且所述方法可以应用于其中数字PWM模块在上电期间具有随机脉冲的替换应用。图1图示在数字控制下用于向服务器供应电力的切换模式电源单元。电源单元包括用于电力因素校正(PFC)和AC到DC电压转换的初级侧和用于DC到DC 电压转换的次级侧。初级侧接收诸如主线AC电压的AC输入电压，并输出诸如400V的DC母线电压。次级侧将来自初级侧的DC母线电压输出转换为诸如15V、5V或3.3V的由耦接的负载使用的期望的DC电压电平。初级侧上的PFC阶段由第一数字信号控制器(DSC)数字地控制。次级侧上的DC 到DC阶段由第二DSC数字地控制。存在在第一DSC和第二DSC之间发送的双向或单向通信信号。对DSC的随后参考针对第一DSC。
PFC前端模块可以被配置为任何传统PFC电路。在该示例应用中，PFC 前端模块被配置为用于交叉操作。在一些实施例中，PFC前端模块包括每个具有一个或多个信道的一个或多个数字PWM模块。例如，可以存在三个或四个数字PWM模块，其每个由信道A、信道B以及在某些情况下辅助信道构成。在一些配置中，存在具有多个信道的单个数字PWM模块。在其他配置中，存在多个数字PWM模块，每个数字PWM模块被配置为具有一个或多个信道。对于交叉操作，相同数字PWM模块内的信道可以交叉，但是仅对于独立操作模式。来自不同数字PWM模块的信道可以在互补操作模式中或独立操作模式中交叉。由DSC控制信道，使得对于期望的交叉操作建立每个信道的占空比。由DSC执行控制算法。在一些实施例中，如本领域中公知的，控制算法作为固件存储和执行。
图2-10图示两个数字PMW模块三个信道PFC前端模块的示例操作。数字PWM模块中的一个或多个被设定为在电源单元的正常操作期间在互补操作模式中操作。图2图示在正常操作期间处于独立操作模式中的数字PWM 模块1信道A(M1CHA)的示例输出波形。图3图示在正常操作期间处于与示例数字PWM模块2信道B(M2CHB)的互补操作模式中的数字PWM模块2信道A(M2CHA)的示例输出波形。图4图示在正常操作期间处于与数字PWM模块2信道A的互补操作模式中的数字PWM模块2信道B的示例输出波形。在该示例中，数字PWM模块2被设定为工作在互补操作模式中，而数字PWM模块1操作在独立操作模式中，其中数字PWM模块1信道A的输出和数字PWM模块2信道B的输出相移180度以实现两个数字PWM 模块的交叉。
控制算法包括用于控制在正常操作期间被配置为用于独立和互补操作模式两者的数字PWM模块的可执行指令。然而，如果电源单元在互补操作模式中时上电并初始化，可以生成PWM信号中的随机脉冲，其中随机脉冲的持续时间(宽度)可以大于，甚至远大于，100％的切换周期。图5图示在上电期间处于互补操作模式中的数字PWM模块2信道B的示例输出波形。图 5图示与设定在互补操作模式中的信道(数字PWM模块2信道B)有关的随机脉冲。图6图示在上电期间数字PWM模块1信道A的示例输出波形。如图6中所示，在上电期间处于独立操作模式中的数字PWM模块1信道A中没有生成随机脉冲。基于该特性，在上电开始时，如果应设定在互补操作模式中的PWM信道被配置为处于独立操作模式中，则随机脉冲有可能消失。
此外，紧随可以生成随机脉冲的时间帧之后但在正常操作之前将PWM 信道及时重新配置回互补操作模式是重要的。通过利用基于软件的计算器上的固件来实现该关键任务。图7图示在具有软件计数器的情况下处于互补操作模式中的数字PWM模块2信道B的示例输出波形。如图7中所示，软件计数器被设计为在独立或互补操作模式中在上电之后开始计数用于生成期望的时间延迟。
在诸如数字PWM模块2信道B的相关数字PWM信道在一个时间延迟之后从独立操作模式被重新配置回互补操作模式中的情况下，在时间延迟期间没有显示随机脉冲。然而，时间延迟可能不够长，并且随机脉冲可能在相关数字PWM信道被重新配置回互补操作模式中之后显示。图8图示在具有比随机脉冲的持续时间短的一个时间延迟的情况下处于互补操作模式中的数字PWM模块2信道B的示例输出波形。在该情况下，由于由基于软件的计数器生成的一个时间延迟，减小了得到的随机脉冲的宽度。以类似方式，如果时间延迟的数目增大为“N”，则随机脉冲的宽度可以进一步减小。图9图示在具有N个时间延迟的情况下处于互补操作模式中的数字PWM模块2信道B的示例输出波形。最后，如图10中所示，在时间延迟的数目增大为诸如“N+1”的临界值时，随机脉冲完全消失。现在是时候将相关PWM信道重新配置回互补操作模式。在一些实施例中，用于消除随机脉冲的整个过程仅在固件上控制和实现。
因此，在控制算法执行用于DSC和数字PWM模块的正常操作的指令之前，在上电时执行初始化算法。在一些实施例中，初始化算法被实现为控制算法的子例程。在上电时，执行控制算法并且立即调用初始化算法。在其他实施例中，初始化算法是与控制算法分开的算法，并且在执行控制算法之前执行。
初始化算法可以被认为是在正常操作之前的设备上电和初始化的设备初始化阶段的部分。初始化算法意图用于具有在正常操作期间被配置为用于互补操作模式的数字PWM模块的那些设备。由于已知一些DSC设计在上电期间生成具有随机脉冲的PWM信号，因此初始化算法将在上电时的操作模式临时改变为独立操作模式。操作被临时改变预定义时间段，已知在该预定义时间段期间出现随机脉冲。
图11图示根据实施例的初始化算法。初始化算法提供消除上电期间 PWM信号中的随机脉冲的方法并且由DSC执行。在步骤10，在正常操作期间在互补操作模式中操作的DSC中的全部数字PWM模块被配置为在独立操作模式中操作。在一些实施例中，与步骤10中配置的那些数字PWM模块的每个信道相关联的占空比被设定为零。在正常操作之前占空比被设定为零以避免可能导致过电流和对内部组件的可能损坏的任何PWM信号，因此使能安全启动。
在步骤20，监视定时计数器。在一些实施例中，定时计数器是用于固件的正常操作的软件计数器。可替换地，可以使用其他传统定时机制。在步骤 30，将定时计数器值与预定义时间段相比较。预定义时间段被确定为随机脉冲可能出现的时间段。在一些实施例中，通过在互补操作模式中上电时监视 DSC并且测量观察到随机脉冲出现的时间段来经验地确定预定义时间段。预定义时间段被确定为比该观察到的值大的时间段。在一些实施例中，当控制算法开始时定时计数器开始计数，这与初始化算法是控制算法内的子例程对应。在其他实施例中，当初始化算法开始时定时计数器开始。
一旦定时计数器值等于或大于预定义时间段，则初始化算法移动到步骤 S40。在步骤40，在步骤10被配置为在独立操作模式中操作的PWM模块被重新配置为在互补操作模式中操作。在步骤50，DSC和数字PWM模块的正常操作开始。在初始化算法是控制算法的子例程的情况下，退出子例程，并且控制算法执行用于正常操作的代码。在初始化算法是与控制算法分开的算法的情况下，初始化算法结束并且控制算法开始。
根据结合细节以帮助理解所述方法的构造和操作原理的具体实施例描述了本申请。在各种附图中示出和描述的许多组件可以互换以实现所需结果，并且该描述应被读作也包含这种互换。同样，在此对具体实施例及其细节的参考不意图限制所附权利要求的范围。本领域技术人员将清楚可以对选择用于说明的实施例做出修改，而不背离本申请的精神和范围。

Claims (22)

1.一种消除设备的上电期间的随机脉冲的方法，所述方法包括：
a.将切换模式电源内的一个或多个数字脉宽调制器中的每一个配置为操作在独立操作模式和互补操作模式中；
b.在切换模式电源的上电时，在独立操作模式中操作每个数字脉宽调制器，并且继续在独立操作模式中操作每个数字脉宽调制器预定时间段；
c.在预定时间段到期之后，将每个数字脉宽调制器的操作从独立操作模式改变为互补操作模式，其中改变操作在初始化阶段期间发生；以及
d.在初始化阶段之后的正常操作期间，在互补操作模式中操作每个数字脉宽调制器。
2.如权利要求1所述的方法，还包括监视定时计数器值并且将定时计数器值与预定时间段相比较。
3.如权利要求2所述的方法，其中定时计数器值由软件计数器提供。
4.如权利要求1所述的方法，其中一个或多个数字脉宽调制器中的至少一个包括多个信道，每个信道供应具有定义的占空比的脉宽调制信号，其中一个或多个数字脉宽调制器被配置为用于功率因素校正交叉操作。
5.如权利要求4所述的方法，其中在初始化阶段期间的独立操作模式中时每个信道的占空比被设定为零。
6.如权利要求4所述的方法，其中在互补操作模式期间，该至少一个数字脉宽调制器的第一信道的占空比和该至少一个数字脉宽调制器的第二信道的占空比彼此互补，使得当第一信道是信号高时，第二信道是信号低，并且当第一信道是信号低时，第二信道是信号高。
7.如权利要求1所述的方法，其中一个或多个数字脉宽调制器中的每一个如果在互补操作模式而不是独立操作模式中操作时在上电期间生成随机脉冲。
8.一种消除设备的上电期间的随机脉冲的方法，所述方法包括：
a.将切换模式电源内的数字脉宽调制器配置为操作在独立操作模式和互补操作模式中，其中数字脉宽调制器以定义的占空比操作用于功率因素校正交叉操作；
b.在切换模式电源的上电时，在独立操作模式中操作数字脉宽调制器，并且继续在独立操作模式中操作数字脉宽调制器预定时间段；
c.在预定时间段到期之后，将数字脉宽调制器的操作从独立操作模式改变为互补操作模式，其中改变操作在初始化阶段期间发生；以及
d.在初始化阶段之后的正常功率因素校正交叉操作期间，在互补操作模式中操作数字脉宽调制器。
9.如权利要求8所述的方法，还包括监视定时计数器值并且将定时计数器值与预定时间段相比较。
10.如权利要求9所述的方法，其中定时计数器值由软件计数器提供。
11.如权利要求8所述的方法，其中数字脉宽调制器包括多个信道，每个信道供应具有定义的占空比的脉宽调制信号。
12.如权利要求11所述的方法，其中在初始化阶段期间的独立操作模式中时每个信道的占空比被设定为零。
13.如权利要求8所述的方法，其中数字脉宽调制器如果在互补操作模式而不是独立操作模式中操作时在上电期间生成随机脉冲。
14.一种用于消除上电期间的随机脉冲的装置，所述装置包括：
a.一个或多个数字脉宽调制器，每个被配置为操作在独立操作模式和互补操作模式中；以及
b.耦接到一个或多个数字脉宽调制器的处理器，所述处理器包括程序指令，所述程序指令被配置为：
i.在装置的上电时，在独立操作模式中操作每个数字脉宽调制器，并且继续在独立操作模式中操作每个数字脉宽调制器预定时间段；
ii.在预定时间段到期之后，将每个数字脉宽调制器的操作从独立操作模式改变为互补操作模式，其中改变操作在初始化阶段期间发生；以及
iii.在初始化阶段之后的正常操作期间，在互补操作模式中操作每个数字脉宽调制器。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述程序指令还被配置为监视定时计数器值并且将定时计数器值与预定时间段相比较。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述装置还包括软件计数器并且由软件计数器提供定时计数器值。
17.如权利要求14所述的装置，其中每个数字脉宽调制器包括多个信道，每个信道供应具有定义的占空比的脉宽调制信号，其中一个或多个数字脉宽调制器被配置为用于功率因素校正交叉操作。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述程序指令还被配置为在初始化阶段期间的独立操作模式中时将每个信道的占空比设定为零。
19.如权利要求14所述的装置，其中正常操作包括正常功率因素校正交叉操作。
20.如权利要求14所述的装置，其中一个或多个数字脉宽调制器中的每一个如果在互补操作模式而不是独立操作模式中操作时在上电期间生成随机脉冲。
21.如权利要求14所述的装置，其中所述处理器包括数字信号控制器。
22.如权利要求14所述的装置，其中所述处理器包括微控制器。
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