CN1354554A - 具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器 - Google Patents

Abstract

具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器,包括功率开关、衰减器、A/D转换器、加法器、调节器、开关控制器、驱动器和具有第一加法器、第二加法器、量化器和延时器的补偿控制器,它通过对开关控制器在时间上的量化误差的尾数进行存储、积累,据此对开关脉冲时刻值进行补偿,从而可实现显著提高开关变换器的数字化脉冲控制精度。

Description

具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器

本发明涉及数字化开关变换器。

各类电力电子电源(包括AC/DC电源、DC/DC电源、逆变器等)广泛应用于各种电气化设备上，而其中的开关变换器则为这类电源的核心部份。开关变换器也是开关功率放大器的核心部件。开关变换器通过频繁切换其中的电力半导体开关，实现对电能的控制。近年来，随着数字信号处理芯片(DSP)、微处理器芯片(MPU)、微型计算机(MCU)、可编程逻辑门阵列(PLA)技术水平的发展，数字化控制技术开始在开关变换器中得到应用。常见采用的控制方式有脉冲宽度调节(PWM)控制、定脉宽变频控制、定频移相控制等，其中又以PWM控制较为典型。以现在采用的数字化开关变换器为例(见图1)，它通常包括功率开关、衰减器、能将模拟信号转换成数字信号的A/D转换器、调节器(通常为比例—积分—微分调节器)、开关控制器(通常含计数器)及驱动模块。输出的电压(电流)通过衰减器降低幅度，经A/D转换成数字量。A/D的输出信号与给定量V_f通过加法器比较产生误差信号，由调节器进行处理。调节器的输出信号送入开关控制器，由此产生开关脉冲调节信号。最后，由驱动模块控制变换器的功率开关，从而影响变换器的输出V_o。在上述过程中，送入开关控制器的信号为一数字量，输出开关脉冲宽度的分辨率则取决于开关控制器的控制字长。通常，调节器的输出分辨率可达16Bits以上，远高于开关控制器中计数器的字长。脉冲宽度的量化误差表现为控制器输出信号的截尾误差。以采用PWM控制方式的20kHz的开关变换器为例，其周期为50μs，为实现16Bits的PWM分辨率，计数器的时钟频率必须达到2¹⁶×20×10³kHz＝1.31GHz。而目前应用于开关变换器的DSP与MPU一般其时钟频率仅在5～50MHz左右，距上述要求甚远。当PWM的开关频率提高时变换器对数字控制器的时钟频率要求会更高。例如采用一个时钟频率为20MHz的DSP，当开关频率为50kHz时，其PWM的分辨率仅为400(控制字长低于9Bits)。这对于实现高精度的控制要求有很大差距。更严重的是，量化误差将导致开关变换器控制过程出现极限环振荡，而极限环振荡更会将开关变换器的输出误差放大许多倍。

本发明的目的旨在提高数字化开关变换器的数字化脉冲控制精度，提出一种具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器。

本发明的具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器，是在现有的数字化开关变换器中增设补偿控制器而构成，它包括功率开关、衰减器、A/D转换器、加法器、调节器、开关控制器和驱动器，其特征是在调节器与开关控制器之间接入补偿控制器，该补偿控制器包括第一加法器、第二加法器、量化器和延时器，第一加法器的一个输入端接调节器的输出端，另一个输入端接延时器的输出端，第一加法器的输出分别输入至量化器和第二加法器，量化器的输出分二路，其一路输入至第二加法器，另一路与开关控制器的输入端相连，第二加法器的输出端接延时器的输入端。

补偿控制器中的延时器作用是将数据延迟一个开关周期，其功能可用程序节拍实现，也可以由硬件实现，量化器是一个具有与开关控制器控制字长相同的存储器。

以下结合附图进一步说明本发明。

图1是现有的数字化开关变换器框图；

图2是本发明构成框图；

图3是本发明的一种具体实例；

图4是用于图3实例的DSP芯片示意图。

参照图1，本发明的具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器包括功率开关1、衰减器2、A/D转换器3、加法器4、调节器5、开关控制器6和驱动器7，其特征是在调节器5与开关控制器6之间接入补偿控制器8，该补偿控制器包括第一加法器9、第二加法器10、量化器11和延时器12，第一加法器9的一个输入端接调节器5的输出端，另一个输入端接延时器12的输出端，第一加法器的输出分别输入至量化器11和第二加法器10，量化器11的输出分二路，其一路输入至第二加法器10，另一路与开关控制器6的输入端相连，第二加法器10的输出端接延时器12的输入端。

通常，可以将开关控制器6、补偿控制器8、调节器5、加法器4及A/D转换器3专门集成在一片芯片上，或可以采用DSP或MPU或MCU或PLA等集成数字信号处理芯片。

工作时，输出的电压(电流)通过衰减器2降低幅度，经A/D转换器3转换成数字量，A/D的输出信号与给定量V_f通过加法器4比较产生误差信号，由调节器5进行处理送入补偿控制器8，对开关变换器开关切换时刻作量化补偿，经过量化误差补偿的开关脉冲信号经开关控制器6、驱动器7去控制变换器的功率开关1，从而影响变换器的输出V_o。

设x_n为补偿控制器的输入量，y_n为输出量，其中各变量的下脚标为时序标号。y_n ^*是送往开关控制器数据的截尾部分，而y_n-1 ^*则是延时一个开关周期的y_n ^*，y_n-1 ^*的意义是不断地将截尾部分保留起来。与此同时，补偿控制器输出量y_n是由调节器输出量与上一次截尾的误差之和的整数部分。补偿控制器的功能是：

1)当输入量不包含尾数时，y_n-1 ^*将保持不变；

2)当输入量的尾数与上一次尾数相加时不产生进位时，尾数在每个开关周期被积分；

3)当输入量的尾数与上一次尾数相加时产生进位时，整数部分被取出用于补偿控制器的截尾误差，剩余的尾数用于下一次计算。

4)尾数y_n ^*由量化器的输入量与输出量之差确定，与选择的量化函数有关。上述表述可以用下面式子加以补充表达： $y_n^{*}=x_n+y_{n-1}^{*}-y_n---\left(1\right)$ $y_n=\mathrm{Trunc}(x_n+y_{n-1}^{*})---\left(2\right)$ 式2中Trunc为量化函数，作用是取变量的整数部分。利用该补偿控制器可以补偿开关变换器切换时刻的量化误差。

量化函数的取整通常可以采用弃尾法(即尾数舍去)或四舍五入或进一法(即只要有尾数即进一位)。

图3是本发明的具体实例，图3的上方是具有电容C_i、C_o，电感L，二极管D，功率半导体主开关S的升压型开关电源变换器，图3的下方是数字脉冲控制部分，此例中的驱动器采用栅极驱动模块，其与功率半导体主开关S栅极相连，开关控制器采用数控PWM模块，调节器为PID单元，与电源变换器输出端相连的衰减器用电阻分压器，A/D为数模转换器，V_f则是数字形式的给定电压值，补偿控制器的结构与图2相同，其中量化器是一个具有与开关控制器控制字长相同的存储器，延时器用程序节拍或由硬件实现。其中的数控PWM、补偿控制器、PID、加法器和A/D也可采用如图4所示的型号为TMS320F240的DSP集成数字信号处理芯片。DSP芯片内置CPU(中央处理器)、定时器，以及A/D、PWM等硬件部分，模块之间通过总线通讯，程序与常数放在只读存储器(ROM)中，变量放在随机存储器(RAM)中。其中，PID及补偿功能是利用DSP的程序来实现的。该数字脉冲控制装置通过对功率半导体主开关的开关控制，可实现控制输出电压。试验表明，采用本发明可使量化误差所引起的限环电压波动被成功地削减90％。

本发明通过对开关变换器中的数字化脉冲控制单元在时间上的量化误差的尾数进行存储、积累，据此对脉冲时刻值进行补偿，从而能有效地降低数字量化所引起的控制误差，显著提高开关变换器的控制精度。本发明可以用于开关变换器中的脉冲时间变量(例如脉冲宽度)调节，能在不提高时钟频率的情况下，提升脉冲控制器的有效控制字长、细化进阶的分辨率，本发明有助于在各类开关变换器上实现数字化的精密控制，这对于高频开关电源变换器的数字控制技术的开发与推广意义尤为重要。

本发明不仅仅限于补偿PWM的截尾误差，还可以对采用其它控制方式的开关变换器的脉冲量化误差进行补偿。例如，对于变频定脉宽控制、定频移相控制等方案的数字控制式开关变换器，均可采用本发明来补偿其脉冲控制的截尾误差。

Claims (4)

1.具有量化误差补偿功能的数字化开关变换器，包括功率开关[1]、衰减器[2]、A/D转换器[3]、加法器[4]、调节器[5]、开关控制器[6]和驱动器[7]，其特征是在调节器[5]与开关控制器[6]之间接入补偿控制器[8]，该补偿控制器包括第一加法器[9]、第二加法器[10]、量化器[11]和延时器[12]，第一加法器[9]的一个输入端接调节器[5]的输出端，另一个输入端接延时器[12]的输出端，第一加法器的输出分别输入至量化器[11]和第二加法器[10]，量化器[11]的输出分二路，其一路输入至第二加法器[10]，另一路与开关控制器[6]的输入端相连，第二加法器[10]的输出端接延时器[12]的输入端。

2.按权利要求1所述的数字化开关变换器，其特征是所说的量化器[11]是一个具有与开关控制器控制字长相同的存储器。

3.按权利要求1所述的数字化开关变换器，其特征是所说的开关控制器[6]、补偿控制器[8]、调节器[5]、加法器[4]及A/D转换器[3]是DSP或MPU或MCU或PLA集成数字信号处理芯片。

4.按权利要求1所述的数字化开关变换器，其特征是将所说的开关控制器[6]、补偿控制器[8]、调节器[5]、加法器[4]及A/D转换器[3]专门集成在一片芯片上。

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