CN112054669A - 一种vr输出电压环路控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种VR输出电压环路控制系统，包括电压环路控制器、纹波监测器、信号调制模块、开关模块以及滤波电路；电压环路控制器与纹波监测器并联后，依次经过信号调制模块、开关模块和滤波电路，然后反馈至回路输入端；纹波监测器用于对周期性开关纹波信号无差跟踪。系统还包括比例系数调整模块；比例系数调整模块与纹波监测器串联；用于调节周期性开关纹波信号在反馈回路中的占比。本发明中增加波纹监测器，对周期性开关纹波信号进行无差跟踪，电压环路控制器能够对电压信号中的直流信号进行无差跟踪，实现对输出电压直流信号及开关纹波的有效控制。采用软件控制方式调节输出电压及开关纹波会提高设计的灵活性并减少硬件设计成本。

Description

一种VR输出电压环路控制系统
技术领域
本发明属于服务器电源设计技术领域，特别涉及一种VR输出电压环路控制系统。
背景技术
电源设计是服务器开发设计过程中关键环节，电源芯片能否安全可靠的供电对产品的性能至关重要。服务器板卡供电电源以直流电源为主，分为直流开关电源及直流线性电源两种。与线性电源相比，开关电源因具有输出功率大，转换效率高等优点，被更多的应用在板卡电源设计中。因此，提高开关电源的供电性能对提升服务器板卡整体供电质量至关重要。
当前直流电源设计多采用buck(降压式变换电路)转换形式，通过控制上mosfet与下mosfet导通及关断的时间实现对输出电压控制，mosfet的导通和关断会使得输出电感上的电流信号中引入纹波电流信号，因输出电容等效为电容，电感及电阻串联的模型，当电感上的纹波电流流经输出电容的等效电阻(ESR)的时会产生纹波电压，纹波电压的频率等于开关频率一般为几百kHZ。如图1给出了现有技术中直流电源电路图。电压输出信号Vout经过电阻R1与R2分压后注入到反馈引脚FB中以实现对输出信号的控制。由于在输出电压信号中包含纹波信号。因此，需要将纹波电压信号加入到反馈回路中实现环路稳定性控制，当前输出电容的选型主要包括陶瓷贴片电容以及固态铝电解电容，固态铝电解电容的ESR(等效串联电阻)要比陶瓷贴片电容的ESR大很多。当输出电容只有陶瓷电容时，输出ESR偏低，反馈回路中的纹波电压偏低不利于系统稳定。为了保证系统的稳定性需要增加纹波注入电路。如图2所示为在现有技术中直流电源中增加纹波注入电路的电路图。该电路可监测到流经电感的纹波电流并转换为纹波电压信号，该纹波电压信号接到输出信号的反馈端(FB)，通过调整纹波注入电路的参数使得系统到达稳定状态。
随着开关电源朝着数字化方向发展，电压调控方式由外围硬件电路调试逐步改为数字代码调试，将设置好的数字代码通过烧录工具固化到电源控制芯片中实现对输出电压的控制。为了保证良好的输出电压性能，越来越多的电压控制方式被引入到输出电压环路中，其目的是调节输出电压的各项性能满足设计要求，PI控制是现在主流的控制方式，即在VR输出电压反馈环路中串入PI控制器。(PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。已知现今电压控制方式多采用PI控制，如下公式表示：
Figure BDA0002645061750000021
为PI控制器在频域的传递函数，对该式进行变换后可以看出由于Kp与Ki为有限数，只有当f＝0Hz时H(S)的幅值增益才能无穷大，且信号的频率越高幅值增益越小。采用PI控制电压环路的闭环传递函数为：
Figure BDA0002645061750000022
其中G(S)＝Vout/Vref，可知只有开关传递函数H(S)幅值增益越大G(s)幅值增益才能更接近1，实现输出电压信号Vout对参考信号Vref的跟踪。只有当f＝0Hz时H(S)的幅值增益才能无穷大，且信号的频率越高幅值增益越小。因此，PI控制只能对直流信号有较大的开环增益对于周期性信号的开关增益较小，应用到电压控制环路中PI控制只对VR输出的直流电压信号有效跟踪但对开关纹波跟踪效果较差。在电流规格较小的应用场景中，通常选用陶瓷电容作为输出电容，而陶瓷电容本身ESR偏低，转换得到的纹波电压偏低，已知要保证系统的稳定性需要将输出电压纹波添加到反馈回路中，由于电源模块的设计偏向数字化。因此，不能采用添加纹波注入电路的硬件设计方式实现，而当前常用的PI控制方式又不能很好的跟踪输出电压纹波，因此输出电源的稳定性偏低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种VR输出电压环路控制系统，在电压环路控制系统中增加周期性开关纹波信号的监测模块，实现对输出电压直流信号及开关纹波的有效控制。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种VR输出电压环路控制系统，包括电压环路控制器、纹波监测器、信号调制模块、开关模块以及滤波电路；
所述电压环路控制器与纹波监测器并联后，依次经过信号调制模块、开关模块和滤波电路，然后反馈至回路输入端；
所述纹波监测器用于对周期性开关纹波信号无差跟踪；所述电压环路控制器用于对电源电压信号中的直流信号进行无差跟踪。
进一步的，所述系统还包括比例系数调整模块；
所述比例系数调整模块与纹波监测器串联；用于调节周期性开关纹波信号在反馈回路中的占比。
进一步的，所述纹波监测器在频域中的模型为：
Figure BDA0002645061750000031
其中T为周期性开关纹波信号的周期。
进一步的，所述纹波监测器在频域中的模型进行转换得到：
Figure BDA0002645061750000032
其中
Figure BDA0002645061750000033
ω为周期性开关纹波信号的角速度；f为周期性开关纹波信号的频率；则
Figure BDA0002645061750000034
所述纹波监测器在离散域中的模型为：
Figure BDA0002645061750000035
其中N＝采样率/周期性开关纹波信号的频率。
进一步的，所述电压环路控制器为PI控制器。
进一步的，所述信号调制模块采用脉冲宽度调制。
进一步的，所述开关模块包括第一MOS管和第二MOS管；
所述第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极相连；所述第一MOS管的源极与第二MOS关的漏极相连。
进一步的，所述滤波电路采用LC滤波电路。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本发明提出了一种VR输出电压环路控制系统，包括电压环路控制器、纹波监测器、信号调制模块、开关模块以及滤波电路；电压环路控制器与纹波监测器并联后，依次经过信号调制模块、开关模块和滤波电路，然后反馈至回路输入端；纹波监测器用于对周期性开关纹波信号无差跟踪；电压环路控制器用于对电源电压信号中的直流信号进行无差跟踪。系统还包括比例系数调整模块；比例系数调整模块与纹波监测器串联；用于调节周期性开关纹波信号在反馈回路中的占比。本发明中增加波纹监测器，对周期性开关纹波信号进行无差跟踪，电压环路控制器能够对电压信号中的直流信号进行无差跟踪，两者作用累加添加到反馈回路中，通过调整比例系数K来调节纹波电压信号在反馈回路中占的比重实现对输出电压环路的调整，使得VR输出电压性能满足设计要求。本发明以实现对输出电压直流信号及开关纹波的有效控制。采用软件控制方式调节输出电压及开关纹波会提高设计的灵活性并减少硬件设计成本。
附图说明
如图1为现有技术中直流电源电路图；
如图2为在现有技术中直流电源中增加纹波注入电路的电路图；
如图3为本发明实施例1一种VR输出电压环路控制系统示意图；
如图4为本发明实施例1一种VR输出电压环路控制系统中纹波监测器离散化模型。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例1
本发明实施例1提出了一种VR输出电压环路控制系统，在电压环路控制中增加纹波监测器来实现对纹波电压信号的监测。如图3为本发明实施例1一种VR输出电压环路控制系统示意图；VR：(VOLTAGE REGULATOR电源模块)；该系统包括：电压环路控制器、纹波监测器、信号调制模块、开关模块以及滤波电路。
电压环路控制器与纹波监测器并联后，依次经过信号调制模块、开关模块和滤波电路，然后反馈至回路输入端；纹波监测器用于对周期性开关纹波信号无差跟踪；电压环路控制器用于对电源电压信号中的直流信号进行无差跟踪。系统还包括比例系数调整模块；比例系数调整模块与纹波监测器串联；用于调节周期性开关纹波信号在反馈回路中的占比。
如图4为本发明实施例1一种VR输出电压环路控制系统中纹波监测器离散化模型。
纹波监测器在频域内的模型为：
Figure BDA0002645061750000051
Figure BDA0002645061750000052
其中
Figure BDA0002645061750000053
则：
Figure BDA0002645061750000054
其中，T为周期性开关纹波信号的周期；ω为周期性开关纹波信号的角速度；f为周期性开关纹波信号的频率。
由上述公式可知，纹波监测器对于周期性开关纹波信号的开环增益为无穷大。因此，其闭环增益基本为1可以对周期性信号实现无差跟踪。
由于VR是采用数字化控制，上述公式表述的为模拟信号，因此需要将控制器公式模型由频域转换到离散域可得：
Figure BDA0002645061750000061
其中N＝采样率/周期性开关纹波信号的频率。当用于监测输出电压纹波时，被测信号频率即为电源的开关频率。
在本发明中电压环路控制器采用PI控制器，PI控制能够对电压信号中的直流信号进行无差跟踪，纹波监测器对其中的周期性开关纹波信号进行无差跟踪，两者作用累加添加到反馈回路中，其作用类似于在传统电源电路设计中增加纹波注入电路，通过调整比例系数K来调节纹波电压信号在反馈回路中占的比重实现对输出电压环路的调整，使得VR输出电压性能满足设计要求。
在本发明中，信号调制模块采用脉冲宽度调制。开关模块包括第一MOS管和第二MOS管；第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极相连；第一MOS管的源极与第二MOS关的漏极相连。滤波电路采用LC滤波电路。
将采样得到的输出电压Vout与设定值Vref进行比较，误差信号ΔV经PI控制器，以及周期性开关纹波信号经过纹波监测器进行无差跟踪。经过脉冲带宽调制，得到得到PWM(脉冲宽度调制)控制信号，PWM控制信号通过调整MOSFET开关管导通及关断的时间使得Vout稳定在Vref附近，达到对输出电压的跟踪控制的目的。
本发明通过纹波监测的方式，可实现对输出电压直流信号与开关纹波的有效跟踪及控制，提升了输出电压的环路稳定性。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种VR输出电压环路控制系统，其特征在于，包括电压环路控制器、纹波监测器、信号调制模块、开关模块以及滤波电路；
所述电压环路控制器与纹波监测器并联后，依次经过信号调制模块、开关模块和滤波电路，然后反馈至回路输入端；
所述纹波监测器用于对周期性开关纹波信号无差跟踪；所述电压环路控制器用于对电源电压信号中的直流信号进行无差跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种VR输出电压环路控制系统，其特征在于，所述系统还包括比例系数调整模块；
所述比例系数调整模块与纹波监测器串联；用于调节周期性开关纹波信号在反馈回路中的占比。
3.根据权利要求1所述的一种VR输出电压环路控制系统，其特征在于，所述纹波监测器在频域中的模型为：
Figure FDA0002645061740000011
其中T为周期性开关纹波信号的周期。
4.根据权利要求3所述的一种VR输出电压环路控制系统，其特征在于，所述纹波监测器在频域中的模型进行转换得到：
Figure FDA0002645061740000012
其中
Figure FDA0002645061740000013
ω为周期性开关纹波信号的角速度；f为周期性开关纹波信号的频率；则
Figure FDA0002645061740000014
所述纹波监测器在离散域中的模型为：
Figure FDA0002645061740000015
其中N＝采样率/周期性开关纹波信号的频率。
5.根据权利要求1所述的一种VR输出电压环路控制系统，其特征在于，所述电压环路控制器为PI控制器。
6.根据权利要求1所述的一种VR输出电压环路控制系统，其特征在于，所述信号调制模块采用脉冲宽度调制。
7.根据权利要求1所述的一种VR输出电压环路控制系统，其特征在于，所述开关模块包括第一MOS管和第二MOS管；
所述第一MOS管的栅极与第二MOS管的栅极相连；所述第一MOS管的源极与第二MOS关的漏极相连。
8.根据权利要求1所述的一种VR输出电压环路控制系统，其特征在于，所述滤波电路采用LC滤波电路。
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