CN116667650B - 一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器 - Google Patents

一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，属于模拟和数字集成电路技术领域，该转换器可以利用同一周期内不同状态下的开关节点信息，调制产生占空比的斜坡信号斜率，从而达到飞电容电压校准的目的，具有器件功率密度高、成本低、校准效率高的特点；包括功率级拓扑结构电路和控制器，所述功率级拓扑结构电路中的开关节点SW周期性产生不同电压信号，所述的控制器周期性获取开关节点SW的电压信号转换成斜坡信号，利用周期内不同状态的开关节点电压差值调制斜坡信号斜率大小强制开关状态控制信号的占空比大小后输出校准后信号。

Description

一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器
技术领域
本发明涉及模拟和数字集成电路技术领域，更具体地说，尤其涉及一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器。
背景技术
随着直流智能电网，智能汽车芯片，物联网以及可穿戴智能设备的快速发展，直流转换器越来越多的用于应对高开关频率、大电压传输比、宽输出电压范围的应用场景，多电平直流转换器由于其元器件所承受电压应力较低，可实现较宽范围的传输比，等效开关频率较高以及使用电感和输出电容尺寸较小等优点，在此领域内脱颖而出。
但多电平直流转换器同样存在着拓扑结构、控制电路复杂以及飞电容电压失衡的问题。针对飞电容电压在正常工作模式下的失衡问题，研究者提出了两种有效的应对方式，一是改变多电平直流转换器的拓扑结构，能够使得飞电容上电压实现自平衡；二是在控制环路中增加校准环路，通过外力强制改变飞电容上电压，使飞电容电压校准在需要的值。往往实现飞电容电压自平衡的结构需要使用两个及以上的功率电感，控制电路较为简单但是功率密度低。为了提高功率密度，减少片外无源器件的使用，可以采用内部添加校准电路的方式。
多电平直流转换器中飞电容电压的校准多采用飞电容电压采样校准以及开关节点电压采样校准两种模式。飞电容电压采样可以直接反映飞电容上的电压信息，根据其与参考电压的比较从而调整飞电容充放电的时间，可较为简单地实现实时电压校准，但是随着电平数的增加需要采样的电压数量也随之增多，同时功率管存在尺寸偏差以及过驱动电压的偏差等因素影响使得该方法并不能获得最小的电感电流纹波；开关节点电压采样方式则是采样一个周期内不同电感充电状态下的开关节点处的电压，根据周期内不同状态下开关节点电压的差值，改变补偿器输出的误差信号或者利用计数时钟人为添加/减少飞电容充放电时间，使得它们向它们的中间值趋近，最终得到一个周期内的所有充电状态下的开关节点电压相等，最大程度的减小电感电流纹波，但却对采样保持电路以及校准方式提出较高的要求。
因此，亟待设计一种能够自行利用斜坡信息进行校准的多电平直流转换器，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，该转换器可以利用同一周期内不同状态下的开关节点信息，调制产生占空比的斜坡信号斜率，从而达到飞电容电压校准的目的，具有器件功率密度高、成本低、校准效率高的特点。
本发明的技术方案如下：
一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，包括功率级拓扑结构电路和控制器，所述功率级拓扑结构电路中的开关节点SW周期性产生不同电压信号，所述的控制器周期性获取开关节点SW的电压信号转换成斜坡信号，利用周期内不同状态的开关节点电压差值调制斜坡信号斜率大小，控制开关状态控制信号的占空比大小后输出校准后信号。
进一步的，所述的控制器包括PID补偿器、开关电压校准模块、比较器和控制逻辑以及驱动模块，所述的PID补偿器将功率级拓扑结构电路的输出电压V0经分压后的反馈电压Vfb与参考电压vref比较后产生误差信号vea，所述的开关电压校准模块将获得的开关节点SW的电压信号转换成自适应斜坡信号，所述的比较器将自适应斜坡信号进行比较后得到功率电感充电状态时长的占空比信号，所述的控制逻辑以及驱动模块根据功率电感充电状态时长的占空比信号及相应控制信号控制输出校准后信号。
进一步的，所述的开关电压校准模块包括采样电路、电压电流转换电路、斜坡信号产生电路和快速校准信号产生电路，所述的采样电路获取周期内不同状态的开关节点SW电压信号并转换成采样电压，所述的电压电流转换电路将采样电压转换成自适应偏置电流，所述的斜坡信号产生电路根据自适应偏置电流产生自适应斜坡信号，所述的快速校准信号产生电路将上限值VH、下限值VL以及运算器输出SI_out进行比较后产生快速校准状态的控制信号。
进一步的，所述的采样电路包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一缓冲器Buffer1、第二缓冲器Buffer2、第一选择开关K1、第二选择开关K2、第一采样电容CS1、第二采样电容CS2、比较器OTA和第三电容CP，所述开关节点SW依次通过第三电阻R3和第四电阻R4后接地，所述第三电阻R3的输出端分别与第一缓冲器Buffer1、第二缓冲器Buffer2连接，所述的第一缓冲器Buffer1通过第一选择开关K1和第一采样电容CS1后接地，所述的第二缓冲器Buffer2通过第二选择开关K2和第二采样电容CS2后接地，所述的第一选择开关K1和第二选择开关K2均与比较器OTA的输入端连接，所述比较器OTA的输出端通过第三电容CP接地，所述比较器OTA的输出端还与电压电流转换电路的输入端连接。
进一步的，所述的斜坡信号产生电路包括两个斜坡信号转换电路和偏置电流IB，所述的电压电流转换电路输出两个周期内不同状态下的自适应偏置电流分别进入两个斜坡信号转换电路中，所述的偏置电流IB分别与两个周期内不同状态下的自适应偏置电流做差比较后产生自适应斜坡信号输出。
进一步的，所述的快速校准信号产生电路包括两个比较器COMP，其中一个比较器COMP将比较器OTA的输出端电压和上限值VH作比较后输出第一快速校准状态的控制信号D6，另一个比较器COMP将比较器OTA的输出端电压和下限值VL作比较后产生第二快速校准状态的控制信号D5。
进一步的，所述的功率级拓扑结构电路为不高于五电平级的拓扑结构电路。
进一步的，所述的功率级拓扑结构电路为五电平迪克森混合结构电路。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明的一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，通过设置功率级拓扑结构电路和控制器，功率级拓扑结构电路中的开关节点SW周期性产生不同电压信号，控制器周期性获取开关节点SW的电压信号转换成斜坡信号，利用周期内不同状态的开关节点电压差值调制斜坡信号斜率大小强制开关状态控制信号的占空比大小后输出校准后信号。本发明的直流转换器通过利用不同电感充电状态下的开关节点电压误差值信息转换为斜坡信号斜率信息，修改斜坡信号斜率控制占空比信号宽度，从而控制不同电感充电状态的时长，并且搭配基于单个飞电容电压的快速校准调制机制，使得开关节点电压和飞电容电压可以快速恢复至正常值，从而达到飞电容电压校准的目的，控制器中的校准电路较为简单并且不需要额外的变换功率级拓扑结构，提高了功率密度，降低了使用成本，校准效率高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的直流转换传感器的电路示意图；
图2为本发明的直流转换传感器中开关电压校准模块的电路示意图；
图3为本发明实施例1的功率级拓扑结构的功率级状态图；
图4为本发明实施例1的功率级拓扑结构电路周期内不同状态开关时序图；
图5为本发明实施例1的直流转换传感器校准过程中的工作示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
参照图1和2所示，本发明的一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，包括功率级拓扑结构电路1和控制器2，所述功率级拓扑结构电路1中的开关节点SW周期性产生不同电压信号，所述的控制器2周期性获取开关节点SW的电压信号转换成斜坡信号，利用周期内不同状态的开关节点电压差值调制斜坡信号斜率大小，控制开关状态控制信号的占空比大小后输出校准后信号。
进一步的，所述的控制器2包括PID补偿器21、开关电压校准模块22、比较器23和控制逻辑以及驱动模块24，所述的PID补偿器21将功率级拓扑结构电路1的输出电压V0经第一电阻R1和第二电阻R2分压后的反馈电压Vfb与参考电压vref比较后产生误差信号vea，所述的开关电压校准模块22将获得的开关节点SW的电压信号转换成自适应斜坡信号，所述的比较器23将自适应斜坡信号进行比较后得到功率电感充电状态时长的占空比信号，所述的控制逻辑以及驱动模块24根据功率电感充电状态时长的占空比信号及相应控制信号控制输出校准后信号。产生的误差信号vea与开关电压校准模块22输出的两个自适应斜坡信号Slope1和Slope2经过比较器23产生控制两个功率电感充电状态时长的占空比信号D1a和D2a。如两个功率电感充电状态下的开关节点电压相差过大，则开关电压校准模块22输出高电平信号D5或D6将系统的功率电感放电状态替换为快速调制状态。控制逻辑以及驱动模块24根据占空比信号D1a/D2a和D5/D6产生相应的功率开关开启/关断控制信号S1C～S8C，并为功率开关管提供足够的栅-源驱动电压和驱动电流，促使功率开关管可以正常的进行开启/关断行为。
其中，所述的开关电压校准模块22包括采样电路221、电压电流转换电路222、斜坡信号产生电路223和快速校准信号产生电路224，所述的采样电路221获取周期内不同状态的开关节点SW电压信号并转换成采样电压，所述的电压电流转换电路222将采样电压转换成自适应偏置电流，所述的斜坡信号产生电路223根据自适应偏置电流产生自适应斜坡信号，所述的快速校准信号产生电路224将上限值VH、下限值VL以及运算器输出SI_out进行比较后产生快速校准状态的控制信号。
进一步的，所述的采样电路221包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一缓冲器Buffer1、第二缓冲器Buffer2、第一选择开关K1、第二选择开关K2、第一采样电容CS1、第二采样电容CS2、比较器OTA和第三电容CP，所述开关节点SW依次通过第三电阻R3和第四电阻R4后接地，所述第三电阻R3的输出端分别与第一缓冲器Buffer1、第二缓冲器Buffer2连接，所述的第一缓冲器Buffer1通过第一选择开关K1和第一采样电容CS1后接地，所述的第二缓冲器Buffer2通过第二选择开关K2和第二采样电容CS2后接地，所述的第一选择开关K1和第二选择开关K2均与比较器OTA的输入端连接，所述比较器OTA的输出端通过第三电容CP接地，所述比较器OTA的输出端还与电压电流转换电路222的输入端连接。采样时，两个电感充电状态下的开关节点电压通过分压第三电阻R3和第四电阻R4分压后通过两个缓冲器和两个选择开关分别送入第一采样保持电容CS1和第二采样电容CS2上，采样后的电压经过比较器OTA，两个状态下的开关节点电压误差经过比较器OTA后的输出端电压值SI_out经过后面的电压-电流转换电路，产生自适应偏置电流，分别通过adap1和adap2两个节点输出。
进一步的，所述的斜坡信号产生电路223包括两个斜坡信号转换电路3和偏置电流IB，所述的电压电流转换电路222输出两个周期内不同状态下的自适应偏置电流分别进入两个斜坡信号转换电路3中，所述的偏置电流IB分别与两个周期内不同状态下的自适应偏置电流做差比较后产生自适应斜坡信号输出。在adap1和adap2两个节点输出的自适应偏置电流分别进入两个斜坡信号转换电路3中，固定的偏置电流IB与之做差之后产生自适应的斜坡信号，并且由该斜坡信号产生的占空比信号具有校准飞电容电压的作用。
进一步的，所述的快速校准信号产生电路224包括两个比较器COMP，其中一个比较器COMP将比较器OTA的输出端电压和上限值VH作比较后输出第一快速校准状态的控制信号D6，另一个比较器COMP将比较器OTA的输出端电压和下限值VL作比较后产生第二快速校准状态的控制信号D5。其中，上限值VH和下限值VL为预设值。
进一步的，所述的功率级拓扑结构电路1为不高于五电平级的拓扑结构电路。
本发明的直流转换器通过利用不同电感充电状态下的开关节点电压误差值信息转换为斜坡信号斜率信息，修改斜坡信号斜率控制占空比信号宽度，从而控制不同电感充电状态的时长，并且搭配基于单个飞电容电压的快速校准调制机制，使得开关节点电压和飞电容电压可以快速恢复至正常值，从而达到飞电容电压校准的目的，控制器2中的校准电路较为简单并且不需要额外的变换功率级拓扑结构，提高了功率密度，降低了使用成本，校准效率高。
实施例1
本实施例的直流转换器与实施方式的直流转换器结构相同，其中所述的功率级拓扑结构电路1为五电平迪克森混合结构电路，该直流转换器的电路如图1所示。所述的功率级拓扑结构电路1包括功率开关S1～8、飞电容C1～3、功率电感L及输出电容C0，功率开关S1～4依次串联，功率开关S1的另一端连接电压Vg，功率开关S5、S6和功率开关S7、S8两两串联后并联，功率开关S4的一端分别与功率开关S5、S7连接，飞电容C1的一端连接功率开关S1、S2，另一端连接功率开关S5、S6，功率开关S6、S8另一端接地，功率开关S5、S6还连接飞电容C3，飞电容C3的另一端连接功率开关S3、S4，飞电容C2的一端连接功率开关S2、S3，另一端连接功率开关S7、S8，飞电容C1～3上的电压分别为3/4Vg、1/2Vg、1/4Vg，功率级拓扑结构的状态图如图3所示，其状态的开关时序如图4所示。正常工作条件下一般在一个周期内状态发生顺序为：I→II→III→IV，而状态V/VI做快速校准调制使用，各状态情况描述如下：
I：功率开关S1、S3、S5、S8导通，功率开关S2、S4、S6、S7关断，输入电源通过飞电容C1给电感充电，同时飞电容C2经过C3给电感充电，在此状态下飞电容C1、C3充电，C2放电，电感充电，开关节点电压表示为SW＝Vg–VC1＝VC2–VC3；
II：功率开关S5、S6、S7、S8导通，功率开关S1、S2、S3、S4关断，电感开关节点一端接地，电感放电，飞电容上电压保持，开关节点电压为零；
III：功率开关S2、S4、S6、S7导通，功率开关S1、S3、S5、S8关断，飞电容C1经过C2给电感充电，同时C3给电感充电，在此状态下飞电容C1、C3放电，C2充电，电感充电，开关节点电压表示为SW＝VC3＝VC1–VC2；
IV：同状态II，功率开关S5、S6、S7、S8导通，功率开关S1、S2、S3、S4关断，电感开关节点一端接地，电感放电，飞电容上电压保持，开关节点电压为零；
V：功率开关S1、S3导通，功率开关S2、S4、S5、S6、S7、S8关断，输入电源通过飞电容C1给电感充电，在此状态下飞电容C1快速充电，开关节点电压表示为SW＝Vg–VC1；
VI：功率开关S4、S6导通，功率开关S1、S2、S3、S5、S7、S8关断，飞电容3给电感充电，飞电容C3快速放电，电感充电，开关节点电压表示为SW＝VC3；
该直流转换器的校准过程中的工作情况如图5所示，从图5的波形示意图揭示了结构如图1的直流转换器中校准控制环路的工作原理，当不同电感充电状态的开关节点电压出现偏差时采样电压也会出现偏差，当正常校准模式调制时间较久时，运算器输出超过限定范围，图中低于下限值VL，D6为高电平，控制逻辑使得系统进入快速调制状态。待运算器输出SI_out恢复至限定范围内，校准模块进入正常的反馈校准调制。从图中可知，没有快速调制状态参加时，状态I下开关节点电压偏高而状态III下开关节点电压偏低，因此校准模块输出的两个斜坡信号的斜率情况是Slope1斜率低，Slope2斜率高从而增大占空比信号D1a减小占空比信号D2a，延长状态I时间缩短状态III时间使得开关节点电压恢复至Vg/4。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，其特征在于，包括功率级拓扑结构电路(1)和控制器(2)，所述功率级拓扑结构电路(1)中的开关节点(SW)周期性产生不同电压信号，所述的控制器(2)周期性获取开关节点(SW)的电压信号转换成斜坡信号，利用周期内不同状态的开关节点电压差值调制斜坡信号斜率大小，控制开关状态控制信号的占空比大小后输出校准后信号；
所述的控制器(2)包括PID补偿器(21)、开关电压校准模块(22)、比较器(23)和控制逻辑以及驱动模块(24)，所述的PID补偿器(21)将功率级拓扑结构电路(1)的输出电压(V0)经分压后的反馈电压(Vfb)与参考电压(vref)比较后产生误差信号(vea)，所述的开关电压校准模块(22)将获得的开关节点(SW)的电压信号转换成自适应斜坡信号，所述的比较器(23)将自适应斜坡信号进行比较后得到功率电感充电状态时长的占空比信号，所述的控制逻辑以及驱动模块(24)根据功率电感充电状态时长的占空比信号及相应控制信号控制输出校准后信号；
所述的开关电压校准模块(22)包括采样电路(221)、电压电流转换电路(222)、斜坡信号产生电路(223)和快速校准信号产生电路(224)，所述的采样电路(221)获取周期内不同状态的开关节点(SW)电压信号并转换成采样电压，所述的电压电流转换电路(222)将采样电压转换成自适应偏置电流，所述的斜坡信号产生电路(223)根据自适应偏置电流产生自适应斜坡信号，所述的快速校准信号产生电路(224)将上限值VH、下限值VL以及运算器输出(SI_out)进行比较后产生快速校准状态的控制信号；
所述的采样电路(221)包括第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一缓冲器(Buffer1)、第二缓冲器(Buffer2)、第一选择开关(K1)、第二选择开关(K2)、第一采样电容(CS1)、第二采样电容(CS2)、比较器(OTA)和第三电容(CP)，所述开关节点(SW)依次通过第三电阻(R3)和第四电阻(R4)后接地，所述第三电阻(R3)的输出端分别与第一缓冲器(Buffer1)、第二缓冲器(Buffer2)连接，所述的第一缓冲器(Buffer1)通过第一选择开关(K1)和第一采样电容(CS1)后接地，所述的第二缓冲器(Buffer2)通过第二选择开关(K2)和第二采样电容(CS2)后接地，所述的第一选择开关(K1)和第二选择开关(K2)均与比较器(OTA)的输入端连接，所述比较器(OTA)的输出端通过第三电容(CP)接地，所述比较器(OTA)的输出端还与电压电流转换电路(222)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，其特征在于，所述的斜坡信号产生电路(223)包括两个斜坡信号转换电路(3)和偏置电流(IB)，所述的电压电流转换电路(222)输出两个周期内不同状态下的自适应偏置电流分别进入两个斜坡信号转换电路(3)中，所述的偏置电流(IB)分别与两个周期内不同状态下的自适应偏置电流做差比较后产生自适应斜坡信号输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，其特征在于，所述的快速校准信号产生电路(224)包括两个比较器(COMP)，其中一个比较器(COMP)将比较器(OTA)的输出端电压和上限值(VH)作比较后输出第一快速校准状态的控制信号(D6)，另一个比较器(COMP)将比较器(OTA)的输出端电压和下限值(VL)作比较后产生第二快速校准状态的控制信号(D5)。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，其特征在于，所述的功率级拓扑结构电路(1)为不高于五电平级的拓扑结构电路。
5.根据权利要求4所述的一种基于自适应斜坡校准方式的单电感多电平直流转换器，其特征在于，所述的功率级拓扑结构电路(1)为五电平迪克森混合结构电路。
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