CN110112907B - 一种降压电路的电压补偿方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降压电路的电压补偿方法与装置，包括：根据降压电路的电压补偿期望确定电压补偿电路中各电容器的电容值和各电阻器的电阻值，根据各电容器的电容值和各电阻器的电阻值确定电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点，将各电容器和与各电容器不直接串连的电阻器设置为具有正温度系数，将与各电容器直接串连的电阻器设置为具有负温度系数，使用电压补偿电路来为降压电路补偿电压以输出额定电压。本发明的技术方案能够在不同温度下对不同降压电路提供符合预期的稳定电压补偿效果，降低硬件成本，提高温度适应性、补偿精度、和输出电压稳定性。

Description

一种降压电路的电压补偿方法和装置
技术领域
本发明涉及电子电路领域，并且更具体地，特别是涉及一种降压电路的电压补偿方法与装置。
背景技术
电压控制模式的降压电路广泛应用于服务器电源板卡的设计中。为了减小降压电路输出电压的纹波，并在负载变化时快速动态响应以保证输出电压的稳定，降压电路多采用等效串联电阻较小、型号和费用较低的陶瓷电容做输出电容。陶瓷电容的使用显著影响了降压电路的反馈电路中误差放大器的作用，也改变了降压电路的稳定性。因此为了保证降压电路的稳定性，现有技术引入了补偿电路。
现有技术选取合适的电阻和电容，将补偿电路的零极点控制在一定范围内从而改变降压电路的传递函数的零极点，以保持降压电路的稳定性，使其具有较小的输出纹波和较快的动态响应，并提高线路的抗噪声能力。但补偿电路的电阻值和电容值在设计完成后便不再改变，因此为了满足所有的工作环境，并考虑到陶瓷电容的温度衰减，只能凭借经验对电容值进行过设计，这就使得补偿电路不能达到预期的要求，甚至起不到稳定电路的作用。并且由于电容的过设计增加了电容数量，提高了设计成本。
针对现有技术中补偿电路成本高、温度适应性差、补偿精度低、稳定性差的问题，目前尚未有有效的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种降压电路的电压补偿方法与装置，能够在不同温度下对不同降压电路提供符合预期的稳定电压补偿效果，降低硬件成本，提高温度适应性、补偿精度、和输出电压稳定性。
基于上述目的，本发明实施例的一方面提供了一种降压电路的电压补偿方法，包括以下步骤：
根据降压电路的电压补偿期望确定电压补偿电路中各电容器的电容值和各电阻器的电阻值；
根据各电容器的电容值和各电阻器的电阻值确定电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点；
将各电容器和与电容器不直接串连的电阻器设置为具有正温度系数，将与电容器直接串连的电阻器设置为具有负温度系数，并其中，正温度系数和负温度系数被设置为使得电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点在温度出现变化时产生的变化量不超过预定的波动范围；
使用电压补偿电路来为降压电路补偿电压以输出额定电压。
在一些实施方式中，降压电路为BUCK降压电路。
在一些实施方式中，电压补偿电路为type-3补偿电路。
在一些实施方式中，电压补偿电路包括电阻Rc1、Rf1、Rf2、Rf3和电容Cc1、Cc2、Cf3，其中电阻Rf3和电容Cf3串连后与电阻Rf1并联在输出电压与比较器反相输入端之间；电阻Rc1和电容Cc1串连后与电容Cc2并联在比较器反相输入端和输出端之间；比较器反相输入端经过电阻Rf2接地。
在一些实施方式中，电容Cc1、Cc2、Cf3为正温度系数电容；电阻Rf1、Rf2为正温度系数电阻；电阻Rc1、Rf3为负温度系数电阻。
在一些实施方式中，电压补偿电路的传递函数具有两个零点和三个极点。
在一些实施方式中，两个零点FZ1、FZ2分别为：
Figure BDA0002068003650000031
Figure BDA0002068003650000032
在一些实施方式中，三个极点FP1、FP2、FP3分别为：
Fp1＝0
Figure BDA0002068003650000033
Figure BDA0002068003650000034
本发明实施例的另一方面，还提供了一种降压电路的电压补偿装置，包括：
电压补偿电路，连接到BUCK降压电路并且包括多个电容器和多个电阻器，电容器和与电容器不直接串连的电阻器具有正温度系数，与电容器直接串连的电阻器具有负温度系数，其中，正温度系数和负温度系数被设置为使得电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点在温度出现变化时产生的变化量不超过预定的波动范围。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种降压电路，具有上述的降压电路的电压补偿装置。
本发明具有以下有益技术效果：本发明实施例提供的降压电路的电压补偿方法与装置，通过根据降压电路的电压补偿期望确定电压补偿电路中各电容器的电容值和各电阻器的电阻值，根据各电容器的电容值和各电阻器的电阻值确定电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点，将各电容器和与各电容器不直接串连的电阻器设置为具有正温度系数，将与各电容器直接串连的电阻器设置为具有负温度系数，使用电压补偿电路来为降压电路补偿电压以输出额定电压的技术方案，能够在不同温度下对不同降压电路提供符合预期的稳定电压补偿效果，降低硬件成本，提高温度适应性、补偿精度、和输出电压稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
图1为本发明提供的降压电路的电压补偿方法的流程示意图；
图2为本发明提供的降压电路的电压补偿方法的type-3补偿电路的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”、“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提出了一种能够在不同温度下对不同降压电路提供符合预期的稳定电压补偿效果的方法的实施例。图1示出的是本发明提供的降压电路的电压补偿方法的实施例的流程示意图。
所述降压电路的电压补偿方法，包括以下步骤：
步骤S101，根据降压电路的电压补偿期望确定电压补偿电路中各电容器的电容值和各电阻器的电阻值；
步骤S103，根据各电容器的电容值和各电阻器的电阻值确定电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点；
步骤S105，将各电容器和与各电容器不直接串连的电阻器设置为具有正温度系数，将与各电容器直接串连的电阻器设置为具有负温度系数，其中，正温度系数和负温度系数被设置为使得电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点在温度出现变化时产生的变化量不超过预定的波动范围；
步骤S107，使用电压补偿电路来为降压电路补偿电压以输出额定电压。
本发明实施例针对电容随温度衰减的现象，根据补偿电路传递函数的零极点计算公式，使用负温度系数的热敏电阻在正温度系数的电容随温度变化而衰减时反而上升，使得补偿电路中传递函数的零极点稳定在设计范围内，从而起到补偿作用。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(ROM)或随机存储记忆体(RAM)等。所述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。
在一些实施方式中，降压电路为BUCK降压电路。
在一些实施方式中，电压补偿电路为type-3补偿电路。
现有技术中，电压控制模式的Buck降压电路广泛应用于服务器电源板卡的设计中。为了减小Buck输出电压的纹波并且保证线路在负载变化时动态响应较快以保证输出电压的稳定，Buck降压电路多采用等效串联电阻较小、型号和费用较低的陶瓷电容做输出电容。陶瓷电容的使用显著影响了Buck降压电路的反馈回路中误差放大器的作用，改变了Buck降压线路的稳定性。因此为了保证Buck降压线路的稳定性在线路中引入了电压补偿电路。使用步骤S101的方法选取合适的电阻和电容将补偿回路的零极点控制在一定的范围内从而改变Buck降压线路的传递函数的零极点，这样便可按照步骤S107所述的来保持Buck降压线路的稳定性，使其具有较小的输出纹波和较快的动态响应，并提高线路的抗噪声能力。
但是该补偿线路中电阻值和电容值在设计完成后便不再改变，因此为了满足所有的工作环境，并考虑到陶瓷电容随温度的衰减，只能凭借经验对电容值进行过设计，这就使得补偿回路不能达到预期的要求，甚至起不到稳定线路的作用。并且由于电容的过设计增加了电容数量，提高了设计成本。本发明实施例针对电容随温度衰减的现象，根据补偿回路传递函数的零极点计算公式，采用负温度系数的热敏电阻代替Rc1和Rf3。这样在电容Cc1、Cc2、Cf3的容值随温度变化而衰减时，热敏电阻Rc1和Rf3阻值随温度变化而增加，这就使得补偿回路传递函数的零极点稳定在设计范围内，从而起到理想的补偿作用。
根据本发明实施例公开的方法还可以被实现为由CPU执行的计算机程序，该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。在该计算机程序被CPU执行时，执行本发明实施例公开的方法中限定的上述功能。上述方法步骤也可以利用控制器以及用于存储使得控制器实现上述步骤的计算机程序的计算机可读存储介质实现。
步骤S105中涉及的正温度系数和负温度系数的电阻器设置情况参见图2。如图2所示，电压补偿电路包括电阻Rc1、Rf1、Rf2、Rf3和电容Cc1、Cc2、Cf3，其中电阻Rf3和电容Cf3串连后与电阻Rf1并联在输出电压与比较器反相输入端之间；电阻Rc1和电容Cc1串连后与电容Cc2并联在比较器反相输入端和输出端之间；比较器反相输入端经过电阻Rf2接地。
在一些实施方式中，电容Cc1、Cc2、Cf3为正温度系数电容；电阻Rf1、Rf2为正温度系数电阻；电阻Rc1、Rf3为负温度系数电阻。本发明实施例根据补偿回路传递函数的零极点计算公式，采用负温度系数的热敏电阻代替Rc1和Rf3。这样在电容Cc1、Cc2、Cf3的容值随温度变化而衰减时，热敏电阻Rc1和Rf3阻值随温度变化而增加，这就使得补偿回路传递函数的零极点稳定在设计范围内，从而起到理想的补偿作用。
在一些实施方式中，电压补偿电路的传递函数具有两个零点和三个极点。
在一些实施方式中，步骤S103所限定的确定两个零点FZ1、FZ2分别为：
Figure BDA0002068003650000071
Figure BDA0002068003650000072
在一些实施方式中，步骤S103所限定的确定三个极点FP1、FP2、FP3分别为：
Fp1＝0
Figure BDA0002068003650000073
Figure BDA0002068003650000074
上述两个零点和三个极点是由下述的传递函数计算零点和一阶导数的零点得到的：
Figure BDA0002068003650000075
上式由传递函数
Figure BDA0002068003650000076
带入电压、电阻值而得。
选取合适的电阻Rc1、Rf1、Rf2、Rf3和电容Cc1、Cc2、Cf3以将补偿电路的零极点控制在一定的范围内。
本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现所述的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明实施例公开的范围。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的降压电路的电压补偿方法，通过根据降压电路的电压补偿期望确定电压补偿电路中各电容器的电容值和各电阻器的电阻值，根据各电容器的电容值和各电阻器的电阻值确定电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点，将各电容器和与各电容器不直接串连的电阻器设置为具有正温度系数，将与各电容器直接串连的电阻器设置为具有负温度系数，使用电压补偿电路来为降压电路补偿电压以输出额定电压的技术方案，能够在不同温度下对不同降压电路提供符合预期的稳定电压补偿效果，降低硬件成本，提高温度适应性、补偿精度、和输出电压稳定性。
需要特别指出的是，上述降压电路的电压补偿方法的各个实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于降压电路的电压补偿方法也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
基于上述目的，本发明实施例的第二个方面，提出了一种能够在不同温度下对不同降压电路提供符合预期的稳定电压补偿效果的装置的实施例。所述装置包括：
电压补偿电路，连接到BUCK降压电路并且包括多个电容器和多个电阻器，电容器和与电容器不直接串连的电阻器具有正温度系数，与电容器直接串连的电阻器具有负温度系数，其中，正温度系数和负温度系数被设置为使得电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点在温度出现变化时产生的变化量不超过预定的波动范围。
在一个实施例中，上述多个电阻器包括电阻Rc1、Rf1、Rf2、Rf3，上述多个电容器包括电容Cc1、Cc2、Cf3，其中电阻Rf3和电容Cf3串连后与电阻Rf1并联在输出电压与比较器反相输入端之间；电阻Rc1和电容Cc1串连后与电容Cc2并联在比较器反相输入端和输出端之间；比较器反相输入端经过电阻Rf2接地。
本发明实施例公开所述的装置、设备等可为各种电子终端设备，例如手机、个人数字助理(PDA)、平板电脑(PAD)、智能电视等，也可以是大型终端设备，如服务器等，因此本发明实施例公开的保护范围不应限定为某种特定类型的装置、设备。本发明实施例公开所述的客户端可以是以电子硬件、计算机软件或两者的组合形式应用于上述任意一种电子终端设备中。
基于上述目的，本发明实施例的第三个方面，提出了一种能够在不同温度下提供稳定输出电压的降压电路的实施例。所述降压电路具有上述的降压电路的电压补偿装置。
从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的降压电路的电压补偿装置和降压电路，通过根据降压电路的电压补偿期望确定电压补偿电路中各电容器的电容值和各电阻器的电阻值，根据各电容器的电容值和各电阻器的电阻值确定电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点，将各电容器和与各电容器不直接串连的电阻器设置为具有正温度系数，将与各电容器直接串连的电阻器设置为具有负温度系数，使用电压补偿电路来为降压电路补偿电压以输出额定电压的技术方案，能够在不同温度下对不同降压电路提供符合预期的稳定电压补偿效果，降低硬件成本，提高温度适应性、补偿精度、和输出电压稳定性。
需要特别指出的是，上述降压电路的电压补偿装置和降压电路的实施例采用了所述降压电路的电压补偿方法的实施例来具体说明各模块的工作过程，本领域技术人员能够很容易想到，将这些模块应用到所述降压电路的电压补偿方法的其他实施例中。当然，由于所述降压电路的电压补偿方法实施例中的各个步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换之于所述降压电路的电压补偿装置和降压电路也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。
以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种降压电路的电压补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据降压电路的电压补偿期望确定电压补偿电路中各电容器的电容值和各电阻器的电阻值；
根据各电容器的电容值和各电阻器的电阻值确定电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点；
将各电容器和与电容器不直接串连的电阻器设置为具有正温度系数，将与电容器直接串连的电阻器设置为具有负温度系数，其中，所述正温度系数和负温度系数被设置为使得电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点在温度出现变化时产生的变化量不超过预定的波动范围；
使用电压补偿电路来为降压电路补偿电压以输出额定电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，降压电路为BUCK降压电路。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电压补偿电路为type-3补偿电路。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，电压补偿电路包括电阻Rc1、Rf1、Rf2、Rf3和电容Cc1、Cc2、Cf3，其中电阻Rf3和电容Cf3串连后与电阻Rf1并联在输出电压与比较器反相输入端之间；电阻Rc1和电容Cc1串连后与电容Cc2并联在比较器反相输入端和输出端之间；比较器反相输入端经过电阻Rf2接地。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，电容Cc1、Cc2、Cf3为正温度系数电容；电阻Rf1、Rf2为正温度系数电阻；电阻Rc1、Rf3为负温度系数电阻。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，电压补偿电路的传递函数具有两个零点和三个极点。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述两个零点FZ1、FZ2分别为：
Figure FDA0002068003640000021
Figure FDA0002068003640000022
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述三个极点FP1、FP2、FP3分别为：
Fp1＝0
Figure FDA0002068003640000023
Figure FDA0002068003640000024
9.一种降压电路的电压补偿装置，其特征在于，包括：
电压补偿电路，连接到BUCK降压电路并且包括多个电容器和多个电阻器，所述电容器和与电容器不直接串连的电阻器具有正温度系数，与电容器直接串连的电阻器具有负温度系数，其中，所述正温度系数和负温度系数被设置为使得电压补偿电路的传递函数的各零点和各极点在温度出现变化时产生的变化量不超过预定的波动范围。
10.一种降压电路，其特征在于，具有如权利要求9所述的降压电路的电压补偿装置。
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