CN104254974B

CN104254974B - 具有可调转角频率的pwm占空比合成器和方法

Info

Publication number: CN104254974B
Application number: CN201280071588.9A
Authority: CN
Inventors: R·张; Y·卢; P·G·谭
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2012-03-20
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2032-03-20
Also published as: JP2015516722A; US8836396B2; US20130249614A1; JP6416077B2; WO2013138990A1; CN104254974A

Abstract

一种用于生成具有输出频率(f_PWM)的PWM输出信号(PWM_OUT)以响应具有输入频率(f_PWNIN)的PWM输入信号(PWM_IN)的PWM电路，其包括：代数求和电路(3)，其用于比较PWM输出信号和PWM输入信号，并且当PWM输入信号的值超过PWM输出信号的对应值时产生增量信号(INC)，以及当PWM输入信号的值小于PWM输出信号的对应值时产生减量信号(DEC)；积分器(5)，其通过响应代数求和电路产生的每个增量信号增加占空比信号的值，并且通过响应每个减量信号减小占空比信号的值，从而产生一个表示PWM输入信号的占空比的占空比信号(Duty[7:0])；以及PWM发生器电路(9)，其产生PWM输出信号来响应占空比信号，从而使PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等，而不损失占空比分辨率。

Description

具有可调转角频率的PWM占空比合成器和方法

技术领域

本发明整体涉及PWM(脉冲宽度调制)电路，其生成PWM输出信号来响应PWM输入信号，并且更具体地，涉及生成具有固定的频率和与PWM输入信号的占空比相同的占空比的PWM输出信号的此类PWM电路。

背景技术

PWM电路被广泛用作控制电路，尤其在电动机驱动应用中。PWM输出信号通常借助数字电路和关联的系统时钟信号生成，或借助模拟比较器电路生成。对于典型的无刷DC(直流)(BLDC)电机控制器，系统时钟f_sys大约在1MHz到10MHz的范围内，并且期望的输出PWM频率f_PWM大约在20kHz到200kHz的范围内，取决于具体的应用。

现有技术的一种PWM电机驱动电路包括专门设计的PWM发生器、输出复用器(MUX)和插值器来增加占空比分辨率。(术语“占空比分辨率”指的是系统内的占空比的最小允许增量或变化。例如，如果数字系统能够计算或提供4％或5％的输出占空比，但不能计算或提供4％到5％之间的任何分数的占空比分辨率，则系统内的占空比分辨率为1％)。现有技术的另一种用于增加占空比分辨率的技术是利用RC滤波器将来自PWM的占空比转换成DC值，利用ADC(模拟到数字转换器)将占空比的DC值转换成数字表示，并且之后数字化地生成具有完全相同的占空比和完全相同的期望频率的PWM输出信号。而另一种公知的方法是利用计数器确定正向占空比持续时间，并将其除以总占空比来确定占空比，并且利用此信息生成PWM输出信号。

电机驱动器电路的一些使用者可能更喜欢提供相对低的PWM输入信号频率，在大约2千赫兹到高至大约100kHz或更高的范围内。使用者提供的PWM输入信号通常被直接施加到电机驱动器电路中。电机驱动器集成电路可要求电机驱动PWM频率是特定的固定频率，但在一些情况下，可能不适合使用者。相反，使用者可能希望电机驱动PWM频率独立于使用者提供的PWM输入信号的频率。一些以前的PWM电路能够满足该要求。例如，可利用计数器确定PWM输入信号的正向脉冲宽度和总脉冲宽度，并且可以利用除法器确定占空比信号，其之后被PWM发生器电路用于生成PWM输出信号。

在典型的电机系统中，周期之间的PWM脉冲宽度变化可以通过物理转子的动量被过滤掉，物理转子可以视作低通滤波器系统。然而，在许多情况下，使用者想用低频率的PWM输入信号来控制电机驱动器电路，但遗憾的是，低频率的PWM信号通常不适用于驱动电动机。相反，许多使用者想用相应的基本上更高频率的PWM输出信号来驱动电机。如果PWM输入信号具有相对低的频率，则PWM输出信号的基本较高的频率通常是利用上面提到的计数器和除法器技术实现的。一些传统的电路要求输入PWM频率在某个范围之内，并且一些传统电路使用如上面提到的计数器和除法器转换器。通常优选的是PWM电机驱动信号的频率独立于使用者供应的PWM控制信号频率。

在许多情况下，不希望由电机驱动器集成电路控制的电机转速过快增加或过快减小。当占空比急剧增大时，电机通常在应用全功率下加速。这可以导致要从电源汲取大量的电流，并且这可以导致电源电压突然大的不可接受的降低。相反地，当占空比急剧减小时，通过强烈地“制动”转子，电机通常减速。这种强烈的制动将转子的机械能转换成电能，电能被迅速地“倾倒”返回电源中。太多能量被倾倒返回电源可导致电源电压中大的尖峰(例如，从5伏到10伏)，这会损坏系统内的其它电路/设备。

因此，存在对于这样的PWM电路的未满足需求：其能够生成具有独立于使用者供应的PWM输入信号频率的输出频率的PWM输出信号，其中PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等。

还存在对这样的于PWM电路的未满足需求：其能够独立于使用者的PWM控制信号频率，生成相对高频率的PWM输出信号来响应相对低频率的PWM输入信号，其中高频率的PWM输出信号的占空比与低频率的PWM输入信号的占空比完全相等。

还存在对于这样的PWM电路的未满足需求：其能够独立于使用者的PWM控制信号频率生成相对高频率的PWM输出信号，以响应相对低频率的PWM输入信号，其中高频率PWM输出信号的占空比是可编程的，其与低频率PWM输入信号的占空比完全相等，并且具有至少与低频率PWM输入信号的占空比一样的分辨率。

也存在对于这样的PWM占空比合成器电路的未满足的需求：其能够避免引起由于PWM输入信号与响应于该PWM输入信号生成的PWM输出信号的占空比之间的占空比差造成的能量在电源和PWM控制的电动机之间突然转移。

还存在对于这样的PWM占空比合成器电路的未满足需求：其能够阻止由于PWM输入信号和PWM输出信号之间的占空比失配而导致的电机迅速加速或减速旋转。

还存在对于这样的PWM电路的未满足需求：其能够独立于使用者供应的PWM控制信号频率生成具有第一频率的PWM输出信号，以响应具有第二频率的PWM输入信号，其中PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等，并且其中针对占空比的阶跃变化的PWM电路响应时间是可编程的。

还存在对于这样的PWM电路的未满足需求：其能够独立于使用者供应的PWM控制信号频率生成具有第一频率的PWM输出信号，以响应具有第二频率的PWM输入信号，其中PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等，并且其中PWM电路能够在比最接近的现有技术基本上小的集成电路芯片区域内实现。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种能够生成PWM输出信号的PWM电路，其中PWM输出信号具有独立于使用者供应的PWM输入信号频率的输出频率，其中PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等。

本发明的另一个目的是提供一种PWM电路，其能够独立于使用者的PWM控制信号频率生成相对高频率的PWM输出信号，来响应相对低的频率的PWM输入信号，其中高频率的PWM输出信号的占空比保持与低频率PWM输入信号的占空比完全相等。

本发明的另一个目的是提供一种PWM电路，其能够独立于使用者供应的PWM控制信号频率生成相对高的频率的PWM输出信号，来响应相对低频率的PWM输入信号，其中高频率的PWM输出信号的占空比是可编程的，与低频率的PWM输入信号的占空比完全相等，并且具有与低频率PWM输入信号的占空比相同的分辨率。

本发明的另一个目的是提供一种PWM占空比合成器电路，其能够避免引起由于PWM输入信号与响应于该PWM输入信号生成的PWM输出信号的占空比之间的占空比差造成的能量在电源和PWM控制的电动机之间突然转移。

本发明的一个目的是提供一种PWM占空比合成器电路，其还能够阻止由于PWM输入信号和PWM输出信号之间的占空比失配而导致的电机迅速加速或减速旋转。

本发明的另一个目的是提供一种PWM电路，其能够独立于使用者供应的PWM控制信号频率生成具有第一频率的PWM输出信号，以响应具有第二频率的PWM输入信号，其中PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等，并且其中针对占空比的阶跃变化的PWM电路响应时间是可编程的。

本发明的另一个目的是提供一种PWM电路，其能够独立于使用者供应的PWM控制信号频率生成具有第一频率的PWM输出信号，以响应具有第二频率的PWM输入信号，其中PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等，并且其中PWM电路能够在比最接近的现有技术基本上更小的集成电路芯片区域内实现。

通过简要地描述并且根据一个实施例，本发明提供一种用于生成具有输出频率(f_PWM)的PWM输出信号(PWM_OUT)来响应具有输入频率(f_PWNIN)的PWM输入信号(PWM_IN)的PWM电路，其包括：代数求和电路(3)，其用于比较PWM输出信号和PWM输入信号，并且当PWM输入信号的值超过PWM输出信号的对应值时产生增量信号(INC)，以及当PWM输入信号的值小于PWM输出信号的对应值时产生减量信号(DEC)；积分器(5)，其通过响应代数求和电路产生的每个增量信号产生占空比信号(Duty[7:0])的值的增加，并且通过响应每个减量信号产生占空比信号的值的减小，来产生一个表示PWM输入信号的占空比的占空比信号(Duty[7:0])；以及PWM发生器电路(9)，其产生PWM输出信号来响应占空比信号，从而使PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等，而不损失占空比分辨率。

在一个实施例中，本发明提供一种PWM(脉冲宽度调制)电路(1A)，其用于生成具有输出频率(f_PWM)的PWM输出信号(PWM_OUT)来响应具有输入频率(f_PWNIN)的PWM输入信号(PWM_IN)，从而使PWM输出信号的占空比与PWM输入信号的占空比完全相等。代数求和电路(3)在PWM输入信号(PWM_IN)的值超过PWM输出信号(PWM_OUT)的对应值时产生增量信号(INC)，并且在PWM输入信号(PWM_IN)的值小于PWM输出信号(PWM_OUT)的对应值时产生减量信号(DEC)。积分电路(5)通过响应代数求和电路(3)产生的每个增量信号(INC)来产生第一占空比信号(Duty[7:0])的值的增加，并且通过响应代数求和电路(3)产生的每个减量信号(DEC)产生第一占空比信号(Duty[7:0])的值的减小，产生一个表示PWM输入信号(PWM_IN)的占空比的第一占空比信号(Duty[7:0])。PWM发生器电路(9)生成PWM输出信号(PWM_OUT)来响应第一占空比信号(Duty[7:0])。PWM电路(9)运行以使PWM输出信号(PWM_OUT)的占空比接近或变成与第一PWM输入信号(PWM_IN)的占空比基本上相等。

代数求和电路(3)、积分电路(5)和PWM发生器电路(9)形成一个数字反馈回路，其运行以使PWM输出信号(PWM_OUT)的占空比与PWM输入信号(PWM_IN)的占空比相等，而不损失占空比分辨率。

在一个实施例中，输出频率(f_PWM)基本上大于输入频率(f_PWNIN)。在一个实施例中，积分电路(5)是数字电路，其包括向上/向下计数器(5)，所述向上/向下计数器具有耦合以接收增量信号(INC)的第一输入端和耦合以接收减量信号(DEC)的第二输入端。如果PWM输出信号(PWM_OUT)的占空比等于PWM输入信号(PWM_IN)的占空比，则代数求和电路(3)既不产生增量信号(INC)也不产生减量信号(DEC)。

在一个实施例中，代数求和电路(3)是数字电路，其包括：第一反相电路(22)，其具有耦合以接收PWM输出信号(PWM_OUT)的输入端；第一逻辑与电路(25)，其具有耦合以接收PWM输出信号(PWM_OUT)的第一输入端；第二反相电路(24)，其具有耦合以接收PWM输入信号(PWM_IN)的输入端；第二逻辑与电路(23)，其具有耦合以接收PWM输入信号(PWM_IN)的第一输入端。第一逻辑与电路(25)的第二输入端耦合于第二反相电路(24)的输出端，并且第二逻辑与电路(23)的第二输入端被耦合以接收第一反相电路(22)的输出。第一(25)和第二(23)逻辑与电路分别产生增量信号(INC)和减量信号(DEC)。

在一个实施例中，PWM发生器电路(9)包括斜坡发生器电路(33)和比较器(37)，其中，斜坡发生器电路(33)用于生成斜坡信号(V_RAMP)来响应系统时钟信号(f_sys)，比较器(37)用于比较斜坡信号(V_RAMP)和第一占空比信号(Duty[7:0]或GenDuty[5:0])，并因此产生PWM输出信号(PWM_OUT)。在一个实施例中，斜坡发生器电路(33)生成斜坡信号(V_RAMP)的数字表示，并且比较器(37)是数字比较器。

在一个实施例中，PWM电路包括插值电路(7)，用于生成第二占空比信号(GenDuty[5:0])，即第一占空比信号(Duty[7:0])的插值表示。在一个实施例中，PWM发生器电路(9A)产生多个频率相同但占空比不同的PWM信号(18)，并且插值电路(7A)根据要求的PWM占空比选择多个PWM信号的预定模式，以便提供平均占空比，并且插值电路(7A)借助输出复用器(20)选择多个PWM信号的预定模式。

在一个实施例中，本发明提供一种用于生成具有输出频率(f_PWM)的PWM输出信号(PWM_OUT)来响应具有输入频率(f_PWNIN)的PWM输入信号(PWM_IN)的方法，该方法包括：当PWM输入信号(PWM_IN)的值超过PWM输出信号(PWM_OUT)的对应值时产生增量信号(INC)，并且当PWM输入信号(PWM_IN)的值小于PWM输出信号(PWM_OUT)的对应值时产生减量信号(DEC)；通过响应每个增量信号(INC)产生第一占空比信号(Duty[7:0])的值的增加，并且通过响应每个减量信号(DEC)产生第一占空比信号(Duty[7:0])的值的减小，而产生一个表示PWM输入信号(PWM_IN)的占空比的第一占空比信号(Duty[7:0])；以及借助PWM发生器电路(5)生成PWM输出信号(PWM_OUT)来响应第一占空比信号(Duty[7:0])。

在一个实施例中，该方法包括借助数字代数求和电路(3)比较PWM输出信号(PWM_OUT)和PWM输入信号(PWM_IN)。

在一个实施例中，该方法包括通过操作向上/向下计数器来生成第一占空比信号(Duty[7:0])，以响应增量信号(INC)和减量信号(DEC)。

在一个实施例中，该方法包括生成第二占空比信号(GenDuty[5:0])，即第一占空比信号(Duty[7:0])的插值表示，其中步骤(c)包括借助PWM发生器电路(5)生成PWM输出信号(PWM_OUT)，来响应第二占空比信号(GenDuty[5:0])。

在一个实施例中，本发明提供一种PWM电路，其用于生成具有输出频率(f_PWM)的PWM输出信号(PWM_OUT)来响应具有输入频率(f_PWNIN)的PWM输入信号(PWM_IN)，包括：用于比较PWM输出信号(PWM_OUT)和PWM输入信号(PWM_IN)，并且当PWM输入信号(PWM_IN)的值超过PWM输出信号(PWM_OUT)的对应值时产生增量信号(INC)，当PWM输入信号(PWM_IN)的值小于PWM输出信号(PWM_OUT)的对应值时产生减量信号(DEC)的装置(3)；用于通过响应代数求和电路(3)产生的每个增量信号(INC)产生占空比信号(Duty[7:0])的值的增加，并且通过响应代数求和电路(3)产生的每个减量信号(DEC)产生占空比信号(Duty[7:0])的值的减小，来产生一个表示PWM输入信号(PWM_IN)的占空比的占空比信号(Duty[7:0])的装置(5)；以及用于借助PWM发生器电路(5)生成PWM输出信号(PWM_OUT)来响应占空比信号(Duty[7:0])的装置(9)。

附图说明

图1是PWM电路的框图，其中PWM电路生成具有输出频率的PWM输出信号，所述输出频率独立于PWM输入信号的输入频率，并且具有与PWM输入信号相同的占空比。

图2示出图1中PWM_OUT、PWM_IN和积分器输出信号的波形。

图3示出图1的PWM_OUT占空比、PWM_IN占空比和Duty[7:0]占空比控制信号的波形。

图4A是可以分别用在图1的块3和5中的已知信号比较电路和已知积分器电路的框图。

图4B示出图4A中的块5的优选数字实现方式。

图5是已知PWM发生器电路的框图，其包括插值器和输出复用器，其可用在图1的块15中。

图6是替代的生成PWM输出信号的常规方式的框图。

图7是可以用在图1的块9中的常规PWM发生器的框图。

具体实施方式

本发明提供一种PWM控制电路，其包括占空比合成器电路，占空比合成器电路控制PWM输出信号(例如驱动电动机的PWM信号)的频率，PWM输出信号的频率独立于使用者供应的PWM输入信号的频率。PWM输入信号和PWM输出信号之间的任意占空比差实际上都被充分过滤或平滑，以阻止电机内的过快加速或减速，从而避免电源和PWM控制电路所控制的电机之间发生任何大的、快速的能量交换。

图1示出PWM控制电路1的框图，其能够产生具有频率f_PWM的PWM输出信号PWM_OUT，其中所述输出信号PWM_OUT基本上独立于具有频率f_PWNIN的使用者供应的PWM输入信号PWM_IN。PWM控制电路1包括数字占空比合成器电路1A，其包括信号比较电路或“德尔塔(delta)”电路3、积分器6、插值器7和PWM发生器电路9。(使用术语“德尔塔”是因为优选使用西格玛-德尔塔(sigma-delta)型拓扑电路)。德尔塔电路3具有接收PWM_IN的(+)输入端和接收作为反馈信号的PWM_OUT的(-)输入端。如果PWM_IN大于PWM_OUT，则德尔塔电路3在导线4A上产生“增量”或“+1”信号INC，并且如果PWM_IN小于PWM_OUT，则德尔塔电路3在导线4B上产生“减量”或“-1”信号DEC。如果PWM_IN等于PWM_OUT，则德尔塔电路3既不产生增量信号也不产生减量信号。下面的真值表说明该操作。

增量导线4A和减量导线4B连接于数字积分器5的对应输入端，其中数字积分器5可以实现为传统的向上/向下计数器。

在图1的例子中，积分器5可以是22位的向上/向下积分器。其最高有效的8位作为积分器输出信号Duty[7:0]。积分器5的输出信号Duty[7:0]是在总线6上产生的，总线6连接于“插值和PWM发生器电路”15的输入端，其中“插值和PWM发生器电路”15包括具有耦合以接收Duty[7:0]的输入端的可选数字插值电路7。插值和PWM发生器电路15可以被认为是单个电路，其将具有要求的占空比的PWM输入信号PWM_IN转换成具有与PWM_IN不同的频率但完全相同的占空比的PWM输出信号PWM_OUT。

插值电路7在数字总线8上生成5位的数字输出信号GenDuty[5:0]。插值和PWM发生器电路15还包括常规的PWM发生器9，其具有连接到数字总线8以接收插值占空比信号GenDuty[5:0]的输入端。作为响应，PWM发生器9在数字总线10上生成PWM_OUT，并且将PWM_OUT反馈到德尔塔电路3的(-)输入端，从而形成负数字反馈回路，其实际具有可调的时间常数或转角频率。在本例中，总线8上的信号GenDuty[5:0]比总线6上的占空比分辨率信号Duty[7:0]少2个位，并且额外的2位被用于插值来实现增加的占空比分辨率。数字总线10还连接于常规的电机驱动电路11的输入端，电路11的输出端控制电动机12。应当注意，根据在其中利用PWM控制电路1的系统的要求，输出频率被设计成一个固定的点，并且PWM输入频率可以小于也可以大于PWM输出频率，但维持输出占空比与输入占空比完全相等。

信号Duty[7:0]是在任何特定的时间点从向上/向下计数器5的22位输出提取的并表示PWM_IN的占空比，并且信号GenDuty[5:0]表示并控制此时间点的PWM_OUT的占空比。PWM_OUT和PWM_IN之间的占空比差由德尔塔电路3确定，并被转换成上面提到的增量信号INC或减量信号DEC，如果实际上存在占空比差的话。(PWM_OUT和PWM_IN之间的差按照由概率论确定的方式与该两者之间的占空比差相关。基本思路是，在由德尔塔电路3的输出表示的占空比差被随机采样的情况下，“1”被采样的几率与PWM_IN的占空比相同。如果两个无关联的信号被随机采样，则概率差与占空比差相同，基于两个信号的连续随机采样。)

因此，在PWM输入占空比大于PWM输出占空比的任何时间间隔期间，增量(+1)信号的数量超过减量(-1)信号的的数量，并且因此积分器(向上/向下计数器)5的输出持续增大。相反地，在PWM输入占空比小于PWM输出占空比的任何间隔期间，增量信号的数量将小于减量信号的数量，并且因此向上/向下积分计数器5的输出将持续减小。在PWM_IN的占空比等于PWM_OUT的占空比的任何间隔期间，增量信号的数量将等于减量信号的数量，因此积分器5的输出将保持不变。如果PWM_OUT和PWM_IN在适当长的时间间隔内具有相同的占空比但不同的频率，则增量脉冲的数量和减量脉冲的数量将在该时间间隔内相等，并且PWM_OUT和PWM_IN的占空比被认为是“平衡的”。

一旦反馈回路已经建立后，即当输入PWM和输出PWM信号之间不存在占空比差时，由向上/向下计数器5产生的“提取的”输出值Duty[7:0]表示PWM输入信号的占空比。信号Duty[7:0]也是用于PWM发生器9的控制信号，其将插值的输出信号GenDuty[5:0]转换成PWM_OUT信号。由于输入和输出PWM信号具有相同的占空比和8位占空比信号Duty[7:0]控制输出占空比，因此Duty[7:0]表示PWM控制电路1的要求的输入占空比和输出占空比两者。反馈回路运行以保持PWM_IN和PWM_OUT的占空比接近平衡。也就是说，当反馈回路“饱和”时，已经实现PWM_IN和PWM_OUT的占空比之间的期望的平衡或均衡。

应当理解，不总是需要图1中的插值电路7，但可以用它增加PWM_OUT的占空比分辨率。在一些情况下，向上/向下计数器5的输出可以被直接送入PWM发生器9的输入端(并且负反馈回路的过滤仍将是有益的)。

PWM_OUT的占空比的传递函数可以被示出为

该方程式示出PWM_IN和PWM_OUT的占空比之差或失配与采样增益因子A₁作积分运算，这可以通过控制采样时钟频率f_sys来调整，该采样时钟频率f_sys不与PWM_IN的频率相关。使用积分器(向上/向下计数器)5的22位输出的8个MSB位等同于将向上/向下计数器的输出除以另一个增益因子A₂。上述占空比失配传递函数示出，负反馈回路是一阶低通系统。项1/s是积分器5的传递函数。调整增益因子A₂可以改变响应时间，并因此也改变与占空比失配传递函数相关联的转角频率。

“提取的”积分器输出位的数量8和向上/向下积分器计数器的输出位的数量22的比率等于增益因子A₂。例如，通过将向上/向下计数器提供作为20位计数器并且仍然提取8个MSP位来表示PWM_IN的占空比，可以调整A₂。这将减小上述传递函数的时间常数。项A1×A2控制反馈回路的时间常数，并因此也控制低通滤波函数的转角频率。采样增益因子A₁由系统时钟频率f_sys控制。

图2包括PWM_IN、PWM_OUT和向上/向下计数器5生成的22位输出的波形。PWM_IN的波形具有相对低的频率，并且PWM_OUT的波形具有基本上较高的频率以及具有不与PWM_IN的占空比“平衡”的占空比。从图2中的例子可以得出，通过比较在PWM_IN周期的开始和结束时的22位积分器/计数器5的输出值，向上/向下计数器5的输出值在一个PWM_IN周期之后已经减小。积分器/计数器的输出值将持续减小，直至其达到一个平衡值并且有效地平滑或均衡PWM_IN和PWM_OUT的占空比。

这基本上消除由于PWM_IN和PWM_OUT的占空比之差造成的被驱动电机的大且迅速的加速和/或减速的先前描述的问题，并因此还消除了将与电机减速相关的能量倾卸到电源系统中和造成电源电压中潜在有害尖峰的相关联的问题。

图3示出信号“PWM_IN占空比”、“PWM_OUT占空比”和积分器输出Duty[7:0]的波形。PWM_IN在“A”指示的时刻的一个尖阶跃增加在信号“PWM_IN占空比”中产生一个阶跃响应，PWM_IN占空比表示PWM_IN的占空比。“PWM_IN占空比”的阶跃响应对应于向上/向下计数器5计数并导致“PWM_OUT占空比”波形的生成，该波形表示“PWM_OUT”的占空比——由于分辨率有限，即由于可用于调整“PWM_OUT占空比”的位数是有限的，因此“PWM_OUT占空比”的波形显示为系列小步增长，并且具有与典型的RC(电阻器-电容器)电路的响应的外观相似的外观。因此，“PWM_OUT占空比”的波形按照类似于RC电路响应的方式跟随“PWM_IN占空比”的波形，其中RC电路响应具有特征时间常数和对应的转角频率。也就是说，信号“PWM_IN占空比”被过滤掉了，并且相关的时间常数可以被计算。另外，如前面提到的，通过改变电路参数，可以对时间常数和转角频率进行调整或编程。

低通滤波是通过运行前面提到的PWM占空比合成器电路1的数字负反馈回路完成的。该回路包含积分器/计数器5，其贡献大部分的滤波。由Duty[7:0]波形的响应指示的特征，以及“PWM_OUT占空比”波形因此具有相关联的时间常数和转角频率，其中关联的时间常数和转角频率可以被调整或编程以适用于驱动各种电机。可编程的低通滤波函数可以被设置，以避免任何特定的突然减速或制动，并且从而避免电动机的机械能转换成被迅速倾倒回电源中并导致大的电能。

随后描述的图4A、图4B、图5和图6示出已被利用在现有技术的PWM占空比合成器电路中的已知电路的细节，并且该已知电路可用于实现图1示出的各种块。参考图4A，示出德尔塔电路3的简单常规的实现方式，其中德尔塔电路3包括其输入端被连接以接收PWM_OUT的反相器22。反相器22的输出端连接于与门23的一个输入端，与门23的输出端连接于增量导线4A。与门23的另一个输入端被连接以接收PWM_IN。另一个反相器24具有被连接以接收PWM_IN的输入端，并且其输出端连接于与门25的一个输入端，与门25的另一输入端被连接以接收PWM_OUT，与门25的输出端连接于减量导线4B。

图4A还包括积分器5，如前面提到的，积分器5可以是向上/向下计数器，或者可以是模拟积分器。图4B示出常规的向上/向下计数器5A，其可用作积分器5的实现。向上/向下计数器5A的增量输入端INC被连接以接收与门23在导线4A上产生的增量信号，并且向上/向下计数器5A的减量输入端DEC被连接以接收与门25在导线4B上产生的减量信号。

图5示出图1的插值和PWM发生器电路15的一种实现方式的框图，其包括常规的PWM发生器电路9，该PWM发生器电路9被导线17上具有频率f_sys的系统基准时钟计时。由常规的PWM发生器电路9A产生的数字输出信号是在数字总线18上生成的，并且包括多个具有相同频率但具有一定占空比范围的PWM信号。总线18上的信号是内部信号。图5中导线10上的信号与图1中的PWM_OUT相同，并且将被反馈到图1中的德尔塔电路3的(-)输入端。总线18耦合于输出复用器20的一组输入端，该输出复用器20可以是常规的复用器。图5中的插值器和PWM发生器电路15还包括如图6示出的插值器7A。

总线6上的Duty[7:0]信号控制由PWM发生器电路9A在总线10上产生的PWM_OUT信号以及由输出复用器20在导线10上产生的PWM信号的各种不同的占空比。插值器7A的输入端从向上/向下计数器5接收总线6上的Duty[7:0]的2位[1:0]，并且Duty[7:0]的其它位[7:2]被提供作为PWM发生器9A的输入，以确定在内部总线18上产生的具有不同占空比的PWM信号。插值器7A控制总线18上被复用到导线10的不同的占空比PWM信号。当反馈回路稳定时，PWM_OUT的占空比将与PWM_IN的占空比完全相同。插值器7A的输出端是总线19上的数字信号“PWM发生器地址”，其连接到输出复用器20的通道选择器输入端。插值器7A因此生成一个选择代码，用于选择由PWM发生器9A在数字总线18上生成的具有相同频率但略为不同的占空比的PWM信号的期望模式。在总线10上产生的复用器20的输出是PWM_OUT。图5中的电路15可将8位的占空比信息Duty[7:0]转换成滤波后的或平滑后的PWM_OUT的占空比。

在图6中，插值器电路7A包含在本发明的一个特定情况的例子中，其中PWM控制电路1包含在特定的SOC(片上系统)集成电路中，该集成电路恰好只能支持5位的PWM占空比分辨率。图6中的设计提供了另一种利用计数器对正向周期时间计数生成PWM_OUT的常规方式。图6示出了图5中插值器7A的已知实现方式的框图。插值器7A包括2位的插值复用器28和插值模式状态机29。7位的信号“Required PWM Duty Cycle(要求的PWM占空比)[6:0]”在数字总线6(图1)上产生并且耦合到插值模式状态机29的2个输入端。具体地，数字总线6上的数字字的最高有效位MSB[6:2]被呈现为到插值复用器28的第一输入通道的5个总线导线27上的5位的信号“PWM Address LOW(PWM地址低)”，并且总线6上的数字字的相同的位被提供给加法器30，加法器30通过使额外的位与PWM Address LOW相加，在插值复用器28的另一输入通道上生成5位的信号“PWM Address HIGH(PWM地址高)”，来生成输入PWM地址的“高1位”的地址。更具体地，总线6上的数字字的2个最低有效位LSB[1:0]被施加到插值模式状态机29的2个输入端，状态机29生成一个1位的输入到插值复用器28的通道选择输入端，以使PWMAddress LOW或PWM Address HIGH的预定顺序模式生成为数字总线19上的5位PWM发生器地址信号或代码。

图6中的插值电路7A因此接收“Required PWM Duty Cycle”的7个MSB位。固定插值模式状态机29被用于选择或在不同的复用器通道输入之间切换，即，在“PWM Address LOW”和“PWM Address HIGH”之间切换。这有效地将5位的占空比分辨率(经由2位)扩展为7位的PWM占空比分辨率。PWM发生器9A与输出复用器20一起提供PWM发生器地址输出信号，其具有频率f_PWM和占空比分辨率，所述占空比分辨率由系统时钟信号频率f_sys到输出PWM频率f_PWM之间的频率范围限制。通过将PWM发生器地址输入插值，插值器7A和输出复用器20运行以增加占空比分辨率。图6中的插值器电路7A选择可以由总线6上的PWM占空比信号[6:0]可选择的所有可能的32个信号，并且利用插值复用器28在总线19上生成PWM发生器地址。

在无插值的常规PWM发生器中，只有一个通道针对给定PWM占空比被选择用于MUX输入。为实现更高的占空比分辨率，图5中的插值器7A被设计成提供在交错的模式中选择2个相邻通道的能力。这些模式被设计成实现期望的更高的平均占空比分辨率，即，具有更小的占空比阶跃的占空比分辨率。

图7示出图1中的常规PWM发生器9的简化框图。图7中的PWM发生器9包括模拟斜坡发生器33，其接收导线10上的PWM_OUT。由斜坡发生器33响应PWM_OUT而生成的输出信号V_RAMP的数字表示被提供在6位的总线35上，其被提供到数字比较器37的输入端。数字比较器37的另一输入端接收总线8上的6位的占空比信号GenDuty[5:0]，其在图1中是期望的PWM输出信号PWM_OUT的期望占空比的插值表示。数字比较器37生成期望的PWM输出信号PWM_OUT。

上述PWM占空比合成器电路能够生成具有输出频率的PWM输出信号，以响应具有输入频率的PWM输入信号，其中输出频率独立于输入频率。通常，输出频率大于输入频率。PWM输出信号通常是用于独立于使用者的PWM控制信号频率来控制电机驱动器电路的例子。PWM占空比合成器运行以使PWM输出信号的占空比基本上等于PWM输入信号的占空比。也就是说，定义PWM输入信号的占空比的占空比信息实际上在没有损失分辨率的情况下被传递，从而使PWM输出信号的占空比等于PWM输入信号的占空比。

因此，所描述的PWM占空比合成器电路能够阻止受控制的电机突然引起电机内旋转的迅速减速和/或加速。这避免了由于PWM输入信号与响应于该PWM输入信号而生成的PWM输出信号的占空比之差而导致能量在PWM控制的电动机和电源之间突然传递。所描述的PWM占空比合成器电路能够在基本上更小且更便宜的集成电路中实现，相比于最接近的现有技术，该集成电路的设计较不复杂，并且消耗较少的功率。

尽管已经参考其若干特定的实施例对本发明进行描述，但是本领域技术人员将能够对所描述的本发明的实施例做出各种修改而不脱离本发明的实际精神和范围的情况。意图在于非实质性不同于权利要求所描述的要素或步骤但分别以基本相同的方式执行基本相同的功能以实现所要求保护的相同效果的所有要素或步骤都在本发明的范围之内。例如，德尔塔电路3、积分器5和PWM发生器9的模拟实现都可以被使用。应注意，所公开的与门可以借助能够执行逻辑“与运算”功能的任何种类的逻辑电路实现。

Claims

1.一种PWM电路，即脉冲宽度调制电路，其用于生成具有输出频率的PWM输出信号来响应具有输入频率的PWM输入信号，使得所述PWM输出信号的占空比与所述PWM输入信号的占空比完全相等，其包括：

(a)代数求和电路，其用于当所述PWM输入信号的值超过所述PWM输出信号的对应值时产生增量信号，并且当所述PWM输入信号的所述值小于所述PWM输出信号的所述对应值时产生减量信号；

(b)积分电路，其用于生成表示所述PWM输入信号的所述占空比的第一占空比信号，所述积分电路产生所述第一占空比信号的值的增加来响应所述代数求和电路产生的每个增量信号，并且产生所述第一占空比信号的值的减小来响应所述代数求和电路产生的每个减量信号；

(c)PWM发生器电路，其用于生成所述PWM输出信号来响应所述第一占空比信号；以及

(d)其中所述PWM电路运行以使所述PWM输出信号的所述占空比等于所述PWM输入信号的所述占空比，

插值电路，用于生成第二占空比信号，该第二占空比信号是所述第一占空比信号的插值表示；

其中所述PWM发生器电路包括斜坡发生器电路和比较器，所述斜坡发生器电路用于生成斜坡信号来响应所述PWM输出信号，所述比较器用于比较所述斜坡信号和所述第一占空比信号并且使所述PWM输出信号具有由所述第一占空比信号确定的占空比；

其中所述斜坡发生器电路生成所述斜坡信号的数字表示，并且所述比较器是数字比较器。

2.根据权利要求1所述的PWM电路，其中所述输出频率大于所述输入频率。

3.根据权利要求2所述的PWM电路，其中所述输出频率在20kHz(千赫兹)至200kHz的范围内，并且所述输入频率在2kHz至100kHz的范围内。

4.根据权利要求1所述的PWM电路，其中所述积分电路是包括向上/向下计数器的数字电路，所述向上/向下计数器具有耦合以接收所述增量信号的第一输入端和耦合以接收所述减量信号的第二输入端。

5.根据权利要求1所述的PWM电路，其中如果所述PWM输出信号的所述占空比等于所述PWM输入信号的所述占空比，则所述代数求和电路既不产生增量信号也不产生减量信号。

6.根据权利要求1所述的PWM电路，其中所述代数求和电路是数字电路，其包括：第一反相电路，其具有耦合以接收所述PWM输出信号的输入端；第一逻辑与电路，其具有耦合以接收所述PWM输出信号的第一输入端；第二反相电路，其具有耦合以接收所述PWM输入信号的输入端；第二逻辑与电路，其具有耦合以接收所述PWM输入信号的第一输入端；所述第一逻辑与电路的第二输入端耦合于所述第二反相电路的输出端，所述第二逻辑与电路的第二输入端被耦合以接收所述第一反相电路的输出，所述第一逻辑与电路产生所述减量信号并且第二逻辑与电路产生所述增量信号。

7.根据权利要求1所述的PWM电路，其中所述代数求和电路、所述积分电路和所述PWM发生器电路形成一个数字反馈回路，其运行以使所述PWM输出信号的所述占空比与所述PWM输入信号的所述占空比相等，而不损失占空比分辨率。

8.根据权利要求1所述的PWM电路，其中所述PWM发生器电路产生频率相同但占空比不同的多个PWM信号，并且所述插值电路根据要求的PWM占空比选择所述多个PWM信号的预定模式，以提供平均占空比。

9.根据权利要求8所述的PWM电路，其中所述插值电路借助输出复用器选择所述多个PWM信号的所述预定模式。

10.根据权利要求1所述的PWM电路，其包括电机驱动电路，所述电机驱动电路具有耦合以接收所述PWM输出信号的输入端和耦合以驱动电动机的输出端。

11.一种用于生成具有输出频率的PWM输出信号来响应具有输入频率的PWM输入信号的方法，所述方法包括：

(a)当所述PWM输入信号的值超过所述PWM输出信号的对应值时产生增量信号，并且当所述PWM输入信号的所述值小于所述PWM输出信号的所述对应值时产生减量信号；

(b)通过响应每个增量信号产生第一占空比信号的值的增加，并且通过响应每个减量信号产生所述第一占空比信号的值的减小，生成一个表示所述PWM输入信号的占空比的所述第一占空比信号；以及

(c)借助PWM发生器电路生成所述PWM输出信号，以响应所述第一占空比信号，和

(d)生成第二占空比信号，所述第二占空比信号是所述第一占空比信号的插值表示，其中步骤(c)包括借助所述PWM发生器电路生成所述PWM输出信号，以响应所述第二占空比信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其包括重复步骤(a)到步骤(c)。

13.根据权利要求11所述的方法，其中步骤(a)包括借助数字代数求和电路比较所述PWM输出信号和所述PWM输入信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中步骤(b)包括通过操作向上/向下计数器来生成所述第一占空比信号，以响应所述增量信号和减量信号。

15.一种PWM电路，用于生成具有输出频率的PWM输出信号来响应具有输入频率的PWM输入信号，其包括：

(a)用于比较所述PWM输出信号和所述PWM输入信号，并且当所述PWM输入信号的值超过所述PWM输出信号的对应值时产生增量信号，当所述PWM输入信号的值小于所述PWM输出信号的对应值时产生减量信号的装置；

(b)用于生成表示所述PWM输入信号的占空比的第一占空比信号的装置，其通过响应代数求和电路产生的每个增量信号产生所述占空比信号的值的增加并且通过响应每个减量信号产生所述占空比信号的值的减小来生成所述第一占空比信号；以及

(c)用于借助PWM发生器电路生成所述PWM输出信号来响应所述占空比信号的装置，和

(d)生成第二占空比信号的装置，所述第二占空比信号是所述第一占空比信号的插值表示，其中装置(c)包括借助所述PWM发生器电路生成所述PWM输出信号，以响应所述第二占空比信号。