CN104185946A - 用于对降压调控器的外部lc滤波器中的峰化进行抑制的系统和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于抑制降压调控器中的电压峰化的系统和方法。在一个方面，降压调控器包括：脉宽调制器(30)PWM，用于生成脉冲信号；开关(110，120)，能操作用于响应于该脉冲信号来选择性地将该调控器连接到DC电源并且输出脉冲输出的DC信号(Vo)；滤波器(20，120，220)，用于从脉冲输出DC信号中滤除高频噪声并且生成经调控输出信号(Vbuck)；积分器(40，140，240)，用于将脉冲输出DC信号(Vo)与参考电压信号(Vref)进行比较并且生成误差信号(Verr)以供输入到PWM(30)；减法器(150)，能操作用于从经滤波输出信号(Vbuck)中减去参考电压信号(Vref)以生成误差反馈信号(Verr_fb)；以及加法器(160)，能操作用于将误差反馈信号(Verr_fb)添加到误差信号(Verr)以供输入到脉宽调制器(30)以便抑制经滤波输出信号中的电压峰值(Vbuck)。

Description

用于对降压调控器的外部LC滤波器中的峰化进行抑制的系统和方法

根据35 U.S.C.§119的优先权要求

本专利申请要求于2012年3月30日提交且已转让给本申请受让人并由此通过援引明确纳入于此的题为“Damping of peaking in external LC filter for classDBuck regulator for classH PA(对用于H类PA的D类降压(buck)调控器的外部LC滤波器中的峰化阻尼)”的临时申请No.61/618,476的优先权。

技术领域

本公开一般涉及电压调控器电路，尤其涉及用于对降压(buck)调控器的外部滤波器中峰化进行抑制的系统和方法。

背景

本领域公知开关模式电源(SMPS)用于将可用直流(DC)电平电压转换成另一DC电平电压。SMPS通过藉由将电流切换进入耦合至负载的输出电感器而选择性地将能量存储在该输出电感器中来向该负载提供经调控的DC输出电压。降压转换器是包括通常由MOSFET晶体管提供的两个电源开关的一种特定类型的SMPS。使用电感器加电容器(LC)滤波器来减小输出电压中的波纹。使用脉宽调制(PWM)控制电路来以交替的方式控制电源开关的选通以控制输出电感器中的电流。PWM控制电路响应于改变负载状况使用反映输出电压和/或电流电平的反馈信号来调节应用于电源开关的占空比。

一般而言，降压调控器具有高效率并且常常被用于调控用于音频功率放大器(PA)(诸如H类PA)的功率。降压调控器生成具有随着PA的音频输入信号而持续变动的包络的电源电压。对于高音频输入信号振幅，降压调控器通常以D类模式操作，D类模式也被称为脉宽调制(PWM)模式。对于较低的音频输入信号，降压调控器通常切换至脉冲频率调制(PFM)模式。在音频应用中，降压调控器通常包括外部低通LC滤波器，该外部低通LC滤波器具有约62KHz(例如L＝3uHC＝2.2uF)的谐振频率(Fres)以便滤除由降压调控器生成的脉冲DC信号的高频分量。然而，如果在降压调控器的模式切换期间靠近Fres的输入音频信号被注入LC滤波器，则滤波器输出可能展现峰化，而这对于典型的音频应用而言是不期望的。因此，存在对于抑制降压调控器的LC滤波器中的输出电压峰化的机制的需要。

概述

下文呈现了对用于抑制降压调控器的LC滤波器中的输出电压峰化的机制的一个或多个方面的简化概述。此概要不是本发明的所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在标识出本发明的关键性或决定性要素亦非试图界定其任意或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以作为稍后给出的更加详细的描述之序。

一般而言，常规的降压调控器可被修改为包括内部误差反馈环路，该内部误差反馈环路抑制外部LC滤波器中的峰化并且减小调控器的稳定时间。在一个方面，经修改的降压调控器电路包括：脉宽调制器(PWN)，能操作用于生成经脉宽调制的信号；开关，能操作用于响应于经脉宽调制的信号选择性地将该电路连接到DC电源并输出脉冲输出DC信号；具有谐振频率的滤波器，该滤波器耦合至该开关以从脉冲输出DC信号中滤除高频噪声并且生成经调控输出信号；积分器，能操作用于将脉冲输出DC信号与参考电压信号进行比较并且生成误差信号以供输入到脉宽调制器；减法器，能操作用于从经滤波输出信号中减去参考电压信号以生成误差反馈信号；以及加法器，能操作用于将误差反馈信号添加到误差信号以供输入到脉宽调制器以便实质性抑制经滤波输出信号中在靠近该滤波器的谐振频率附近的频率处的电压峰值。

在另一方面，经修改的降压调控器电路包括：脉宽调制器，能操作用于生成经脉宽调制的信号；开关，能操作用于响应于经脉宽调制的信号选择性地将该电路连接到DC电源并输出脉冲输出DC信号；具有谐振频率的滤波器，该滤波器耦合至该开关以从脉冲输出DC信号中滤除高频噪声并且生成经调控的输出信号；积分器，能操作用于将脉冲输出DC信号与参考电压信号进行比较以生成误差信号，从经滤波输出信号中减去参考电压信号，以及将差值信号添加到误差信号以供输入到脉宽调制器以便实质性抑制经滤波输出信号在靠近该滤波器的谐振频率附近的频率处的电压峰值。

在又一方面，一种用于使用上述降压调控器来调控电源电压的方法，包括：生成经脉宽调制的信号；响应于经脉宽调制的信号来选择性地连接到DC电源以输出脉冲输出DC信号；从脉冲输出DC信号中滤除高频噪声以生成经调控的输出信号；将脉冲输出DC信号与参考电压信号相比较以生成误差信号；从经滤波的输出信号中减去参考电压信号以生成误差反馈信号；以及将误差反馈信号添加到误差信号以便实质性地抑制经滤波输出信号中的电压峰值。

为了能达成前述及相关目的，这一个或多个方面包括在下文中充分描述并在所附权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了这一个或多个方面的某些解说性特征。但是，这些特征仅仅是指示了可采用各种方面的原理的各种方式中的若干种，并且本描述旨在涵盖所有此类方面及其等效方案。

附图简述

以下将结合附图来描述本发明所公开的各方面，提供附图是为了解说而非限定所公开的各方面，其中相似的标号标示相似的元件，且其中：

图1是根据本发明的一个方面的经修改的降压调控器电路的闭环响应图的解说。

图2是示出对经修改的降压调控器电路的输出信号中的峰化进行抑制的波特图。

图3是示出作为经修改的降压调控器电路的误差反馈环路的增益的函数的峰化抑制的幅度改变的波特图。

图4是经修改的降压调控器电路的一方面的解说。

图5是经修改的降压调控器电路的另一方面的解说。

图6是根据本发明的一个方面的使用经修改的降压调控器电路来调控电源电压的示例方法体系的解说。

详细描述

公开了用于抑制降压调控器的外部LC滤波器中的峰化的系统和方法。在一个方面，常规降压调控器可被修改为包括内部误差反馈环路，该内部误差反馈环路抑制外部LC滤波器中的峰化并且减小调控器的稳定时间。图1解说了根据本发明的一个方面的经修改的降压调控器电路的闭环响应图10。具体地，为了抑制降压调控器的输出信号Vbuck中的峰化，输出信号Vbuck经由误差反馈环路15被反馈，从参考电压Vref中减去，使用增益控制电路50来调节，并且被添加到误差信号Verr，该误差信号是通过降压调控器的标准误差环路35生成的。新的误差反馈环路15促进对输出电压Vbuck中的峰化的实质性阻尼。可变增益控制电路50调节误差反馈信号Verr_fb的幅度和峰值阻尼的相应幅度。

图1的闭环响应图可以由以下的根据本发明的一个方面的闭环响应函数来表示：

$\frac{\mathrm{Vbuck}}{\mathrm{Vref}}=\frac{(\mathrm{BW}+\mathrm{gain}*s)(1/\mathrm{LCf})}{\frac{s^3}{\mathrm{Kpwm}}+s^2(\frac{R}{\mathrm{Kpwm}*L}+\mathrm{BW})+s(\frac{1}{\mathrm{Kpwm}*\mathrm{LCf}}+\mathrm{BW}\frac{R}{L}+\frac{\mathrm{gain}}{\mathrm{LCf}})+\frac{\mathrm{BW}}{\mathrm{LCf}}}$

在图1和以上表达式中，BW 40是积分器的增益。Kpwm 30是脉宽调制器的增益。L是滤波器20的电感器的值。C是滤波器20的电容器的值。Gain(增益)50是误差反馈环路15的可变增益，其值可以例如从2到6变化。在一个方面，被设置为6的gain(增益)将足以高效地阻尼在靠近滤波器20的谐振频率附近的频率处的电压峰化。图2解说了示出经修改的降压调控器的输出信号Vbuck的频率响应的波特图。如可以从此图表中可见，输出信号Vbuck中的峰化(中间标绘)被有效地抑制。图3示出了作为误差反馈循环15的增益的函数的峰化抑制的幅度改变。如可以从上部图表中可见，增益值从2增大到6便增加了对峰化的抑制。

在另一方面，图1中示出的经修改的降压调控器的闭环响应可以由以下闭环响应函数来表示：

$\frac{\mathrm{Vbuck}}{\mathrm{Vref}}=\frac{\mathrm{BW}+s*\mathrm{gain}}{\mathrm{BW}}*G\tan k*\frac{\frac{\mathrm{BW}*\mathrm{Kpwm}}{s(1+G\tan k*\mathrm{gain}*\mathrm{Kpwm})}}{1+\frac{\mathrm{BW}*\mathrm{Kpwm}}{s(1+G\tan k*\mathrm{gain}*\mathrm{Kpwm})}}$

$G\tan k=\frac{\stackrel{1}{\mathrm{LCf}}}{s^2+\frac{\mathrm{sR}}{L}+\frac{1}{\mathrm{LCf}}}$

在以上表达式中，gain(增益)可被设置为6以高效地阻尼该系统的峰化。

图4解说了用于控制H类音频功率放大器的经修改的降压调控器电路100的一个示例实施例。降压调控器100被配置成作为D类开关模式电源(SMPS)来操作。降压调控器电路100包括开关110，开关110用于选择性地将电路100连接到DC电源VDD并且能操作用于生成脉冲输出DC信号Vo。开关100可被实现为互补MOSFETS对。脉冲输出DC信号Vo具有基本上等于所要求的输出电压的平均值。电路100进一步包括脉宽调制器(PWM)130，脉宽调制器(PWM)130能操作用于提供经脉宽调制的信号以控制开关110的操作。PWM 130通过控制开关110的操作来改变脉冲输出信号Vo的占空比。电路130可以可任选地包括标准先断后接(BBM)电路135，标准先断后接(BBM)电路135促成开关110的更平滑的操作。电路100进一步包括积分器140，积分器140能操作用于接收脉冲输出信号Vo作为反馈信号Vfb，以及接收参考信号Vref。积分器140将脉冲输出信号Vo与参考信号Vref进行比较并且向PWM 130输出误差信号Verr以维持脉冲输出信号Vo的占空比等于参考电压Vref。电路100进一步包括LC滤波器120，LC滤波器120耦合至开关110以用于从脉冲输出信号Vo中移除不想要的脉冲频率分量并且生成去往PA的经滤波的DC输出信号Vbuck。滤波器120包括串联电感器和分流电容器。

为了抑制由滤波器120在降压调控器电路的模式切换期间生成的经滤波的DC输出信号Vbuck中可能的峰化，电路100进一步包括阻尼反馈电路，根据一个示例实施例该阻尼反馈电路包括减法器150和加法器160。减法器150接收经滤波的DC输出信号Vbuck和参考信号Vref并且从经滤波的DC输出信号Vbuck中减去参考信号Vref以生成误差反馈信号Verr_fb。结果所得的误差反馈信号Verr_fb随后在加法器160中被添加到误差信号Verr，藉此实质性地阻尼该降压调控器电路100的模式切换期间在经滤波的DC输出信号Vbuck中的电压峰化。在一个方面，减法器150可被实现为差分镜像放大器。在一个方面，加法器160可被实现为反相放大器。加法器160可包括可变增益控制电路，可变增益控制电路用于调节误差反馈信号Verr_fb的幅度和峰值阻尼的相应幅度。在一个方面，为了有效地抑制输出电压Vbuck中的峰化，各个电路元件的值可以按照如下来设置：Ri＝200K、Rc＝0.5*Ri、Ci＝3.2p。可以在本发明的替换方面使用各组件的其它值。

图5解说了经修改的降压调控器电路200的另一示例实施例。电路200不具有分开的减法器和加法器，但这些组件的功能由积分器240来执行。具体地，积分器240接收经滤波的DC输出信号Vbuck、脉冲输出的信号Vo以及参考信号Vref。经滤波的DC输出信号和额外的Vref信号被容性耦合至图4中的积分器140的运算放大器(opamp)输入。具有容性耦合的输入和容性耦合的反馈的运算放大器充当增益放大器，其增益由(GainCi/Ci)*(Vbuck-Vref)给出，其在从分子和分母中抵消了Ci之后可被简化为Gain*(Vbuck-Vref)。将这一容性耦合的分支添加到积分器中的效应等效于实现图4中的误差反馈环路并将其输出添加到积分器输出上。误差反馈路径的增益可以使用可变电容Gain*Ci来调节。用于抑制峰化的增益的典型值约为5。积分器240向PWM 230输出误差信号Verr，误差信号Verr将实质性地抑制降压调控器电路200的经滤波的DC输出信号Vbuck中的峰化伪像。在一个方面，用于有效地抑制输出电压Vbuck中的峰化的各个电路元件的值可以按照如下来设置：Ri＝200K、Rc＝0.5*Ri、Ci＝3.2p、以及Gain＝5。可以在替换方面中使用各组件的其它值。

图6是根据本发明的一个方面的使用经修改的降压调控器电路来抑制电源电压中的峰化的示例方法体系的解说。在步骤410，经修改的降压调控器的PWM生成经脉宽调制的信号，该经脉宽调制的信号控制晶体管开关的操作。在步骤420，在PWM信号控制之下的这些开关选择性地将降压调控器电路连接到DC电源并且向LC滤波器输出脉冲输出DC信号Vo。在步骤430，LC滤波器从脉冲输出DC信号Vo中滤除高频噪声以生成经调控的输出信号Vbuck。在步骤440，积分器将脉冲输出信号Vo与参考信号Vref进行比较并且向PWM输出误差信号Verr以用于维持脉冲输出信号Vo的占空比等于参考电压Vref。在步骤450，减法器从经滤波的输出信号Vbuck中减去参考电压信号Vref以生成误差反馈信号Verr_fb。在步骤460，加法器将误差反馈信号Verr_fb添加到误差信号Verr以便抑制经滤波的输出信号Vbuck中的电压峰值。

将理解，本文中所描述的方面可由硬件、软件、固件、中间件、微码、或其如何组合来实现。对于硬件实现，各个处理单元可在一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理器件(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计成执行本文中描述的功能的其他电子单元、或其组合内实现。

当在软件、固件、中间件或微代码、程序代码或代码段中实现这些方面时，它们可被存储在诸如存储组件的机器可读介质中。代码段可以代表规程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类、或是指令、数据结构、或程序语句的任何组合。通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数、或存储器内容，一代码段可被耦合到另一代码段或硬件电路。信息、自变量、参数、数据等可使用包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等任何合适的手段被传递、转发、或传输。

对于软件实现，本文中描述的技术可用执行本文中描述的功能的模块(例如，规程、函数等等)来实现。软件代码可被存储在存储器单元中并由处理器来执行。存储器单元可实现在处理器内部或处理器外部，在后一种情形中其可经由本领域中所知的各种手段被通信地耦合到处理器。

结合本文中公开的方面描述的各种解说性逻辑、逻辑块、模块、以及电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文中描述的功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协同的一个或多个微处理器或任何其它此类配置。此外，至少一个处理器可包括可作用于执行以上描述的一个或多个步骤和/或动作的一个或多个模块。

此外，结合本文中所公开的方面描述的方法或算法的步骤和/或动作可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中实施。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质可耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读和写信息。替换地，存储介质可以被整合到处理器。另外，在一些方面，处理器和存储介质可驻留在ASIC中。另外，ASIC可驻留在用户终端中。替换地，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。另外，在一些方面，方法或算法的步骤和/或动作可作为代码和/或指令之一或其任何组合或集合驻留在可被纳入到计算机程序产品中的机器可读介质和/或计算机可读介质上。

在一个或多个方面中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现，则各功能可作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的期望程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。并且，任何连接也可被称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘和碟包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)往往用激光以光学方式再现数据。上述组合应当也被包括在计算机可读介质的范围内。

尽管前面的公开讨论了解说性方面，但是应当注意在其中可作出各种变更和修改而不会脱离所描述的这些方面的如所附权利要求定义的范围。此外，尽管所描述的方面的要素可能是以单数来描述或主张权利的，但是复数也是已构想了的，除非显式地声明了限定于单数。另外，任何方面的全部或部分可与任何其他方面的全部或部分联用，除非另外声明。

Claims (15)

1.一种电源调控器电路，包括：

脉宽调制器，能操作用于生成经脉宽调制的信号；

开关，能操作用于响应于所述经脉宽调制的信号来选择性地将所述电路连接到DC电源并且输出脉冲输出DC信号；

具有谐振频率的滤波器，所述滤波器耦合至所述开关以用于从所述脉冲输出DC信号中滤除高频噪声并且生成经调控的输出信号；

积分器，能操作用于将所述脉冲输出DC信号与参考电压信号进行比较并且生成误差信号以供输入到所述脉宽调制器；

减法器，能操作用于从所述经滤波的输出信号中减去所述参考电压信号以生成误差反馈信号；以及

加法器，能操作用于将所述误差反馈信号添加到所述误差信号以供输入到所述脉宽调制器以便实质性地抑制所述经滤波的输出信号中在靠近所述滤波器的谐振频率附近的频率处的电压峰值。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述减法器包括具有可变增益的差分镜像放大器，其中所述放大器的增益的变动控制所述经滤波的输出信号的电压峰值的抑制幅度。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述开关包括互补MOSFET对。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述滤波器包括具有约62KHz的谐振频率的低通LC滤波器。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路是D类开关模式电源。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路对于高功率信号在脉宽调制模式中操作而对于低功率信号在脉冲频率调制模式中操作。

7.一种电源调控器电路，包括：

脉宽调制器，能操作用于生成经脉宽调制的信号；

开关，能操作用于响应于所述经脉宽调制的信号来选择性地将所述电路连接到DC电源并且输出脉冲输出DC信号；

具有谐振频率的滤波器，所述滤波器耦合至所述开关以用于从所述脉冲输出DC信号中滤除高频噪声并且生成经调控的输出信号；

积分器，能操作用于将所述脉冲输出DC信号与参考电压信号进行比较以生成误差信号，从所述经滤波的输出信号中减去所述参考电压信号，以及将差值信号添加到所述误差信号以供输入到所述脉宽调制器以便实质性地抑制所述经滤波的输出信号中在靠近所述滤波器的谐振频率附近的频率处的电压峰值。

8.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述积分器进一步包括至少一个可变电容器，所述至少一个可变电容器用于增大所述经滤波的输出信号和所述参考信号中的至少一者的增益。

9.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述开关包括互补MOSFET对。

10.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述滤波器包括具有约62KHz的谐振频率的低通LC滤波器。

11.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路是D类开关模式电源。

12.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路对于高功率信号在脉宽调制模式中操作而对于低功率信号在脉冲频率调制模式中操作。

13.一种用于调控电源的输出的方法，所述电路包括：

生成经脉宽调制的信号；

响应于所述经脉宽调制的信号来选择性地连接到DC电源以输出脉冲输出DC信号；

从所述脉冲输出DC信号中滤除高频噪声以生成经调控的输出信号；

将所述脉冲输出DC信号与参考电压信号进行比较以生成误差信号；

从所述经滤波的输出信号中减去所述参考电压信号以生成误差反馈信号；以及

将所述误差反馈信号添加到所述误差信号以便实质性地抑制所述经滤波的输出信号中的电压峰值。

14.一种用于调控电源的输出的计算机程序产品，包括：

计算机可读介质，包括：

用于致使脉宽调制器生成经脉宽调制的信号的第一代码集；

用于致使开关响应于所述经脉宽调制的信号来选择性地连接到DC电源以输出脉冲输出DC信号的第二代码集；

用于致使滤波器从所述脉冲输出DC信号中滤除高频噪声以生成经调控的输出信号的第三代码集；

用于致使积分器将所述脉冲输出DC信号与参考电压信号进行比较以生成误差信号的第四代码集；

用于致使减法器从所述经滤波的输出信号中减去所述参考电压信号以生成误差反馈信号的第五代码集；以及

用于致使加法器将所述误差反馈信号添加到所述误差信号以便实质性地抑制所述经滤波的输出信号中的电压峰值的第六代码集。

15.一种用于调控电源的输出的设备，所述电路包括：

用于生成经脉宽调制的信号的装置；

用于响应于所述经脉宽调制的信号来选择性地连接到DC电源以输出脉冲输出DC信号的装置；

用于从所述脉冲输出DC信号中滤除高频噪声以生成经调控的输出信号的装置；

用于将所述脉冲输出DC信号与参考电压信号进行比较以生成误差信号的装置；

用于从所述经滤波的输出信号中减去所述参考电压信号以生成误差反馈信号的装置；以及

用于将所述误差反馈信号添加到所述误差信号以便实质性地抑制所述经滤波的输出信号中的电压峰值的装置。