DE102011117508A1

DE102011117508A1 - Spulenstrommessung für dc/dc-umsetzer

Info

Publication number: DE102011117508A1
Application number: DE102011117508A
Authority: DE
Inventors: Paul W. Latham II; Mansur KIADEH; Stewart Gall Kenly
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2012-06-06
Also published as: US8159205B1; CN102545611A; CN102545611B

Abstract

Ein System enthält ein Mittelwertmodul, ein Hochpassfiltermodul, ein erstes Schätzmodul, ein Erfassungsmodul und ein Kombinationsmodul. Das Mittelwertmodul empfängt eine Ausgangsspannung einer Stromversorgung und erzeugt einen Mittelwert der Ausgangsspannung. Das Hochpassfiltermodul empfängt einen Mittelwert einer Schaltspannung, die verwendet wird, um Schalter in einer Ausgangsstufe der Stromversorgung zu steuern, und filtert eine Differenz zwischen dem Mittelwert der Ausgangsspannung und dem Mittelwert der Schaltspannung. Das Schätzmodul schätzt einen ersten gefilterten Strom durch eine Spule in der Ausgangsstufe auf der Grundlage eines Ausgangs des Hochpassfiltermoduls. Das Erfassungsmodul erfasst eine Spannung über der Spule und schätzt einen zweiten Strom durch die Spule. Das Tiefpassfiltermodul filtert den zweiten Strom. Das Kombinationsmodul kombiniert den ersten gefilterten Strom und den zweiten gefilterten Strom, um einen geschätzten Strom durch die Spule zu erzeugen.

Description

GEBIET
Die vorliegende Anmeldung nimmt Bezug auf die US-Patentanmeldung mit der Nummer 12/622,478, die am 20. November 2009 eingereicht wurde. Der Offenbarungsgehalt der vorstehenden Anmeldung ist durch Bezugnahme hier in seiner Gesamtheit mit aufgenommen.
HINTERGRUND
Die hier bereitgestellte Hintergrundbeschreibung dient dem Zweck einer allgemeinen Darstellung des Kontexts der Offenbarung. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder, sofern sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt des Einreichens nicht anderweitig als Stand der Technik ausgewiesen sind, werden weder explizit noch implizit als Stand der Technik gegen die vorliegende Offenbarung anerkannt.
Viele analoge und digitale Stromversorgungen, die Stromversorgungen mit Average Current Mode umfassen, enthalten DC/DC-Umsetzer. DC/DC-Umsetzer bzw. DC/DC-Wandler können von unterschiedlichen Typen sein (z. B. Abwärtswandler, Aufwärtswandler, Abwärts/Aufwärts-Wandler, Sperrwandler usw.). Abwärtswandler-DC/DC-Umsetzer enthalten eine Spule in einer Ausgangsstufe. Eine Ausgangsspannung des DC/DC-Umsetzers kann auf viele Weisen geregelt werden. Zum Beispiel kann bei Stromversorgungen mit Average Current Mode der Strom durch die Spule (Spulenstrom) verwendet werden, um die Ausgangsspannung zu regeln.
Folglich ist das Erfassen des Spulenstroms eine wichtige Funktion eines Controllers für DC/DC-Umsetzer mit hohem Wirkungsgrad.
Der erfasste Spulenstrom kann bei einer Vielfalt von Anwendungen verwendet werden. Die Anwendungen können beispielsweise einen Überstromschutz, eine adaptive Spannungseinstellung und eine Schleifenregelung für Stromversorgungen im Strommodus enthalten. Zudem kann der erfasste Spulenstrom verwendet werden, um zu bestimmen, wann aus dem Modus mit stetigem Stromfluss (CCM für Continuous Conduction Mode) in den Modus mit unterbrochenem Stromfluss (DCM für Discontinuous Conduction Mode) umgeschaltet werden soll. Ferner kann der erfasste Spulenstrom verwendet werden, um einen Laststrom in einem Zustandsraumcontroller zu berechnen, wenn ein geschätzter Kondensatorstrom verfügbar ist.
Verfahren zum Erfassen des Spulenstroms müssen genau und kostengünstig sein und dürfen nur minimalen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad eines DC/DC-Umsetzers aufweisen. Gegenwärtig werden mehrere Verfahren verwendet, um den Spulenstrom zu erfassen. Jedoch weist jedes dieser Verfahren einige Nachteile auf, welche diese Verfahren für einen hochgenauen, schnell reagierenden DC/DC-Umsetzer der technologischen Spitzenklasse ungeeignet machen. Einige dieser Verfahren sind nachstehend beschrieben.
Mit Bezug nun auf 1 verwendet ein Umsetzer 10 einen hochgenauen Widerstandswert, der mit der Spule in Reihe geschaltet ist, um den Spulenstrom zu erfassen. Der Umsetzer 10 umfasst einen Pulsbreitenmodulationscontroller (PWM-Controller) 12, ein Paar in Reihe geschaltete Schalter 14 und 16, eine Spule L, einen hochgenauen Erfassungswiderstand R_sense, einen Kondensator C_out und einen Verstärker 20. R_dc ist ein parasitärer Widerstandswert der Spule L.
Der PWM-Controller 12 erzeugt pulsbreitenmodulierte Impulse, welche Einschalt-/Ausschalt-Zeiten der Schalter 14 und 16 steuern. Ein Strom i fließt durch die Spule L und erzeugt einen Spannungsabfall über dem Erfassungswiderstand R_sense. Der Verstärker 20 weist eine Verstärkung A_v auf und verstärkt den Spannungsabfall über dem Erfassungswiderstand R_sense. Der Ausgang des Verstärkers 20 ist gegeben durch i·R_sense·A_v. Der Spulenstrom i kann aus dem Ausgang des Verstärkers 20 ermittelt werden.
Dieses Verfahren leidet an Verlusten im Erfassungswiderstand R_sense, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Umsetzers 10 verringert wird. Außerdem leidet dieses Verfahren an Rauscheffekten, da der Spannungsabfall über dem Erfassungswiderstand R_sense, der zum Erfassen des Spulenstroms i verwendet wird, klein ist. Ferner bringen die Messschaltungen, die zum Messen des Spulenstroms i verwendet werden, eine Verzögerung mit sich.
Anstatt den Erfassungswiderstand R_sense zu verwenden, kann ein Durchschaltwiderstandswert (R_DSon) der Schalter 14 und 16 verwendet werden, um den Spulenstrom i zu erfassen. R_DSon ist ein Widerstandswert zwischen einem Drain und einer Source eines Schalters, wenn der Schalter eingeschaltet ist. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, ist R_DSon des Schalters in Reihe mit der Spule L und der Spulenstrom i erzeugt einen Spannungsabfall über R_DSon (d. h. V_DS), der gemessen werden kann, um den Spulenstrom i zu erfassen.
Obwohl dieses Verfahren den Wirkungsgrad des Umsetzers nicht beeinträchtigt, ist es nicht sehr genau, da der Wert von R_DSon, auf der Grundlage der Temperatur variiert. Ferner bringen kleine Signalpegel von V_DS Rauschprobleme mit sich. Außerdem bringen Messschaltungen, die zum Messen des Spulenstroms i verwendet werden, eine Verszögerung mit sich.
Mit Bezug nun auf 2 verwendet ein Umsetzer 30 einen Widerstand und einen Kondensator, die mir der Spule parallel geschaltet sind, um den Spulenstrom zu erfassen. Der Umsetzer 30 umfasst den PWM-Controller 12, die Schalter 14 und 16, die Spule L und den Kondensator C_out. Außerdem sind ein Widerstand R und ein Kondensator C wie gezeigt über die Spule L verbunden. R_DC, der parasitäre Widerstandswert der Spule L, dient als der Erfassungswiderstand.
Die Werte von R und C sind so gewählt, dass die Impedanz der RC-Schaltung, die vom Widerstand R und dem Kondensator C gebildet wird, mit der Impedanz der Spule L übereinstimmt. Mit anderen Worten werden die Werte von R und C so gewählt, dass die Zeitkonstante der RC-Schaltung mit der Zeitkonstante der LR-Schaltung übereinstimmt, die von der Spule L und dem parasitären Widerstandswert R_DC gebildet wird. Das heißt, dass die Werte von R und C so gewählt werden, dass R·C ≈ L/RDC.
Wenn R·C ≈ L/R_DC, ist die Spannung über dem Kondensator C linear proportional zum Spulenstrom i. Der Verstärker 40 verstärkt die Spannung über dem Kondensator C und erzeugt einen Ausgang gleich i·R_DC·A_v. Der Spulenstrom i kann aus dem Ausgang des Verstärkers 40 ermittelt werden.
Die Genauigkeit dieses Ansatzes hängt davon ab, wie genau die Impedanz der RC-Schaltung mit der Impedanz der Spule L übereinstimmt. Ferner bringen kleine Spannungspegel über dem Kondensator C Rauschprobleme mit sich. Der erfasste Spulenstrom kann speziell ein Hochfrequenzrauschen enthalten. Zudem bringen Messschaltungen, die zum Messen des Spulenstroms i verwendet werden, eine Verzögerung mit sich.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein System umfasst ein Mittelwertmodul, ein Hochpassfiltermodul, ein erstes Schätzmodul, ein Erfassungsmodul und ein Kombinationsmodul. Das Mittelwertmodul empfängt eine Ausgangsspannung einer Stromversorgung und erzeugt einen Mittelwert der Ausgangsspannung. Das Hochpassfiltermodul empfängt einen Mittelwert einer Schaltspannung, die verwendet wird, um Schalter in einer Ausgangsstufe der Stromversorgung zu steuern, und filtert eine Differenz zwischen dem Mittelwert der Ausgangsspannung und dem Mittelwert der Schaltspannung. Das Schätzmodul schätzt einen ersten gefilterten Strom durch eine Spule in der Ausgangsstufe auf der Grundlage eines Ausgangs des Hochpassfiltermoduls. Das Erfassungsmodul erfasst eine Spannung über der Spule und schätzt einen zweiten Strom durch die Spule. Das Tiefpassfiltermodul filtert den zweiten Strom. Das Kombinationsmodul kombiniert den ersten gefilterten Strom und den zweiten gefilterten Strom, um einen geschätzten Strom durch die Spule zu erzeugen.
Bei anderen Merkmalen enthält das Hochpassfiltermodul ein Hochpassfilter, das eine erste Eckfrequenz aufweist. Das Tiefpassfiltermodul enthält ein Tiefpassfilter mit einer zweiten Eckfrequenz. Die erste Eckfrequenz ist gleich der zweiten Eckfrequenz.
Bei anderen Merkmalen enthält das Hochpassfiltermodul ein Hochpassfilter mit einer ersten Verstärkung. Das Tiefpassfiltermodul enthält ein Tiefpassfilter mit einer zweiten Verstärkung. Die erste Verstärkung ist gleich der zweiten Verstärkung.
Bei anderen Merkmalen enthält das Hochpassfiltermodul ein Hochpassfilter mit einer ersten Polstelle. Das Tiefpassfiltermodul enthält ein Tiefpassfilter mit einer zweiten Polstelle. Die erste Polstelle ist gleich der zweiten Polstelle.
Bei einem anderen Merkmal umfasst das Erfassungsmodul eine Schaltung, die über die Spule geschaltet ist. Eine Impedanz der Schaltung stimmt mit einer Impedanz der Spule überein.
Bei einem anderen Merkmal schätzt das Schätzmodul den ersten Strom durch die Spule, indem es ein Modell der Spule verwendet.
Bei anderen Merkmalen sind das Hochpassfiltermodul, das Schätzmodul, das Tiefpassfiltermodul und das Kombinationsmodul unter Verwendung passiver und/oder aktiver Analogkomponenten implementiert, die Widerstandswerte, Kapazitäten und Operationsverstärker umfassen.
Bei anderen Merkmalen sind das Hochpassfiltermodul, das Schätzmodul, das Tiefpassfiltermodul und das Kombinationsmodul unter Verwendung einer digitalen Logik implementiert, die Addierer, Multiplizierer und eine Verzögerungsstufe umfasst.
Bei anderen Merkmalen sind das Hochpassfiltermodul, das Schätzmodul, das Tiefpassfiltermodul und das Kombinationsmodul unter Verwendung einer Firmware implementiert, die Anweisungen enthält, die von einem digitalen Signalprozessor (DSP) zum Steuern des Umsetzers ausgeführt werden können.
Bei noch anderen Merkmalen umfasst ein Verfahren, das einen Mittelwert der Ausgangsspannung erzeugt wird, indem eine Ausgangsspannung einer Stromversorgung gemittelt wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass eine Differenz zwischen dem Mittelwert der Ausgangsspannung und einem Mittelwert einer Schaltspannung, die zum Steuern von Schaltern in einer Ausgangsstufe der Stromversorgung verwendet wird, unter Verwendung eines Hochpassfilters gefiltert wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass ein erster gefilterter Strom durch eine Spule in der Ausgangsstufe auf der Grundlage eines Ausgangs des Hochpassfilters geschätzt wird und dass ein zweiter Strom durch die Spule durch Erfassen einer Spannung über der Spule geschätzt wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass der zweite Strom unter Verwendung eines Tiefpassfilters gefiltert wird und der erste gefilterte Strom und der zweite gefilterte Strom kombiniert werden, um einen geschätzten Strom durch die Spule hindurch zu erzeugen.
Bei anderen Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass das Hochpassfilter so konfiguriert wird, dass es eine erste Eckfrequenz aufweist, und dass das Tiefpassfilter so konfiguriert wird, dass ein Tiefpassfilter mit einer zweiten Eckfrequenz verfügbar ist, wobei die erste Eckfrequenz gleich der zweiten Eckfrequenz ist.
Bei anderen Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass das Hochpassfilter so konfiguriert wird, dass es eine erste Verstärkung aufweist, und dass das Tiefpassfilter so konfiguriert wird, dass ein Tiefpassfilter mit einer zweiten Verstärkung verfügbar ist, wobei die erste Verstärkung gleich der zweiten Verstärkung ist.
Bei anderen Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass das Hochpassfilter so konfiguriert wird, dass es eine erste Polstelle aufweist, und dass das Tiefpassfilter so konfiguriert wird, dass ein Tiefpassfilter mit einer zweiten Polstelle verfügbar ist, wobei die erste Polstelle gleich der zweiten Polstelle ist.
Bei einem weiteren Merkmal umfasst das Verfahren ferner, dass die Spannung über der Spule erfasst wird, indem eine Schaltung verwendet wird, die über die Spule geschaltet ist, wobei eine Impedanz der Schaltung mit einer Impedanz der Spule übereinstimmt.
Bei anderen Merkmalen umfasst das Verfahren ferner, dass ein Modell der Spule erzeugt wird und der erste Strom durch die Spule unter Verwendung des Modells geschätzt wird.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der hier nachstehend bereitgestellten genauen Beschreibung. Es versteht sich, dass die genaue Beschreibung und spezielle Beispiele nur zur Veranschaulichung gedacht sind und den Umfang der Offenbarung nicht einschränken sollen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Offenbarung wird anhand der genauen Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, wobei:
1 einen DC/DC-Umsetzer darstellt, der einen mit einer Spule in Reihe geschalteten Widerstand verwendet, um einen Spulenstrom zu erfassen;
2 einen DC/DC-Umsetzer darstellt, der einen Widerstand und einen Kondensator verwendet, die mit einer Spule parallel geschaltet sind, um einen Spulenstrom zu erfassen;
3A und 3B ein System darstellen, das ein mathematisches Modell verwendet, um einen Spulenstrommittelwert zu schätzen;
4 ein Funktionsblockdiagramm eines Systems zum Erfassen eines Spulenstroms gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
5 ein detailliertes Funktionsblockdiagramm eines Systems zum Erfassen eines Spulenstroms gemäß der vorliegenden Offenbarung ist;
6A–6D verschiedene Implementierungen eines Hochpassfiltermoduls darstellen, das in 4 und 5 verwendet wird;
7 ein Funktionsblockdiagramm eines Schätzmoduls ist, das in 4 und 5 verwendet wird;
8A–8D verschiedene Implementierungen eines Tiefpassfiltermoduls darstellen, das in 4 und 5 verwendet wird;
9A eine analoge Implementierung des Systems von 4 ist;
9B eine simulierte Darstellung der analogen Implementierung ist, die in 9A gezeigt ist;
10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erfassen eines Spulenstroms gemäß der vorliegenden Offenbarung ist.
GENAUE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung dient nur zur Darstellung und ist keinesfalls dazu gedacht, die Offenbarung, ihre Anwendung oder Verwendungsmöglichkeiten einzuschränken. Der Klarheit halber werden in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu bezeichnen. Bei der Verwendung hierin soll der Ausdruck A, B und/oder C so aufgefasst werden, dass er ein logisches (A oder B oder C) unter Verwendung eines nicht exklusiven logischen Oder bedeutet. Es versteht sich, dass Schritte in einem Verfahren in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern.
Bei der Verwendung hierin kann der Begriff Modul eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine elektronische Schaltung, eine kombinatorische Logikschaltung, ein im Feld programmierbares Gatearray (FPGA), einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe), der einen Code ausführt, andere geeignete Komponenten, welche die beschriebene Funktionalität bereitstellen, oder eine Kombination aus einigen oder allen Vorstehenden, etwa ein System-On-Chip bezeichnen, ein Teil davon sein oder diese enthalten. Der Begriff Modul kann einen Speicher (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe) enthalten, der einen Code speichert, der vom Prozessor ausgeführt wird.
Der Begriff Code kann, so wie er vorstehend verwendet wird, Software, Firmware und/oder Mikrocode umfassen und kann Programme, Routinen, Funktionen, Klassen und/oder Objekte bezeichnen. Der Begriff gemeinsam genutzt bedeutet, so wie er vorstehend verwendet wird, dass ein Teil oder der gesamte Code von mehreren Modulen unter Verwendung eines einzigen (gemeinsam genutzten) Prozessors ausgeführt werden kann. Zudem kann ein Teil oder der gesamte Code von mehreren Modulen in einem einzigen (gemeinsam genutzten) Speicher gespeichert sein. Der Begriff Gruppe bedeutet, so wie er vorstehend verwendet wird, dass ein Teil oder der gesamte Code von einem einzigen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Prozessoren ausgeführt werden kann. Zudem kann ein Teil oder der gesamte Code von einem einzigen Modul unter Verwendung einer Gruppe von Speichern gespeichert sein.
Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können durch ein oder mehrere Computerprogramme implementiert sein, die von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Die Computerprogramme enthalten vom Prozessor ausführbare Anweisungen, die in einem nicht transitorischen konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten enthalten. Beispiele ohne Einschränkung des nicht transitorischen konkreten computerlesbaren Mediums sind nicht flüchtiger Speicher, Magnetspeicher und optischer Speicher.
Mit Bezug nun auf 3A und 3B verwendet ein System 100 ein mathematisches Modell, um einen Spulenstrommittelwert zu schätzen. Eine detaillierte Beschreibung des mathematischen Modells findet man in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 12/622,478, die am 20. November 2009 eingereicht wurde, deren Offenbarungsgehalt durch Bezugnahme hier vollständig mit aufgenommen ist. Es folgt eine kurze Beschreibung des Systems 100.
In 3A umfasst das System 100 den PWM-Controller 12, die Schalter 14 und 16, die Spule L und den Kondensator C_out. Zudem umfasst das System 100 ein ADC/Mittelwertmodul 102, ein Schätzmodul 104, einen ADC 106 und einen Teiler 108. Das ADC/Mittelwertmodul 102 digitalisiert eine Ausgangsspannung über dem Kondensator C_out und erzeugt Mittelwerte der Ausgangsspannung (V_outavg). Der ADC 106 digitalisiert eine Eingangsspannung V_dd. Der Teiler 108 dividiert einen Mittelwert V_avgsw einer Schaltspannung durch die Eingangsspannung V_dd. Der Mittelwert V_avgsw der Schaltspannung ist der Mittelwert der Spannung des Signals, das verwendet wird, um ein Tastverhältnis der Schalter 14 und 16 zu steuern. Der PWM-Controller 12 ermittelt ein Tastverhältnis der Impulse, welche die Schalter 14 und 16 ansteuern, auf der Grundlage des Verhältnisses V_avgsw/V_dd.
Der Mittelwert V_avgsw der Schaltspannung und die Mittelwerte der Ausgangsspannung werden in das Schätzmodul 104 eingegeben. Das Schätzmodul 104 kombiniert den Mittelwert V_avgsw der Schaltspannung und die Mittelwerte der Ausgangsspannung, um einen Spulenstrommittelwert zu schätzen. Das Schätzmodul 104 verwendet das mathematische Modell, das nachstehend zusammengefasst ist, um den Spulenstrommittelwert lest zu schätzen.
In 3B ist das Schätzmodul 104 im Detail gezeigt. Das Schätzmodul umfasst einen Subtrahierer 150, einen Multiplizierer 152, einen Addierer 154, eine Verzögerungsstufe 156 und einen Multiplizierer 158. Der Subtrahierer 150 erzeugt eine Differenz zwischen dem Mittelwert V_avgsw der Schaltspannung und den Mittelwerten der Ausgangsspannung. Der Multiplizierer 152 multipliziert den Ausgang des Subtrahierers 150. Der Addierer 154 addiert den Ausgang des Multiplizierers 152 und einen Ausgang des Multiplizierers 158. Die Verzögerungsstufe 156 verzögert einen Ausgang des Addierers 154. Der Multiplizierer 158 multipliziert den Ausgang der Verzögerungsstufe 156. Der Ausgang der Verzögerungsstufe 156 ist der geschätzte Spulenstrom i_est.
Mathematisch ist ein augenblicklicher Spulenstrom gegeben durch die folgende Gleichung: L di(t) / dt = Vsw(t) – R·i(t) – vout(t) wenn die Gleichung über einen PWM-Zyklus gemittelt wird, verringert sie sich auf:
Unter Verwendung der Definition des Mittelns über eine Periode vereinfacht sich die Gleichung zu: L dcvgi(t) / dt = Vavgsw(t) – R·avgi(t) – vout(t) wobei V_avgsw der Mittelwert der Schaltspannung ist, avgi der Spulenstrommittelwert ist, vout die gemessene oder geschätzte Ausgangsspannung ist, L die Induktivität der Spule L ist und R der DC-Widerstandswert der Leistungsstufe ist.
Diese Differentialgleichungen können zu einer diskreten Zeitgleichung der Form vereinfacht werden: avgi(n + 1) = A_est·avgi(n) + B_est·(V_avgsw(n) – vest(n)), wobei A_est und B_est Multiplikatoren sind, n einen Stromabtastzeitpunkt bezeichnet und (n + 1) einen nachfolgenden Abtastzeitpunkt bezeichnet. Da die Zeitkonstante der Spule L(L/R) viel größer als eine Abtastzeit T_s ist, können A_est und B_est typischerweise angenähert werden als B_est = T_s/L und A_est = 1 – R·T_s/L.
Das vorstehende Verfahren schätzt den Spulenstrommittelwert unter Verwendung des mathematischen Modells der Spule und des DC-Widerstandswerts der Leistungsstufe. Dieses Verfahren weist keine Rauschprobleme auf, da dieses Verfahren das mathematische Modell verwendet, anstatt sich auf rauschanfällige Messwerte zu stützen. Jedoch schätzt dieses Verfahren den Spulenstrommittelwert auf der Grundlage des Tastverhältnisses (da V_avgsw proportional zum Tastverhältnis ist) und der Ausgangsspannung. Folglich weist dieses Verfahren Probleme mit einem DC-Versatz aufgrund von Fehlern im Tastverhältnis auf.
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Erzeugen eines zusammengesetzten Schätzwerts des Spulenstroms unter Verwendung einer Kombination von zwei Verfahren: das Verfahren, welches eine Schaltung mit abgeglichener Impedanz verwendet, um den Spulenstrom zu erfassen, und das Verfahren, welches das mathematische Modell zum Schätzen des Spulenstroms verwendet. Das DC-Versatzproblem, welches mit dem Verfahren verbunden ist, das das mathematische Modell verwendet, wird beseitigt, indem die Eingabe an das Schätzmodul mit einem Hochpassfilter gefiltert wird. Das Problem mit hochfrequentem Rauschen, das mit dem Verfahren verbunden ist, das die Schaltung mit abgeglichener Impedanz verwendet, wird beseitigt, indem der erfasste Spulenstrom mit einem Tiefpassfilter gefiltert wird. Die Ausgänge des Schätzmoduls und des Tiefpassfilters werden kombiniert, um einen zusammengesetzten Schätzwert des Spulenstroms zu erzeugen, der frei vom DC-Versatz und vom Hochfrequenzrauschen ist.
Somit stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Erfassen des Spulenstroms ohne Rauschprobleme und ohne Auswirkung auf den Gesamtwirkungsgrad des Umsetzers bereit. Das hier offenbarte Verfahren zum Erzeugen des zusammengesetzten Schätzwerts des Spulenstroms kombiniert die Vorteile der Verlustfreiheit und der geringen Kosten des Verfahrens mit Impedanzabgleich mit dem rauschfreien Stromschätzwert, der von dem mathematischen Modellierungsverfahren erzeugt wird. Entsprechend erzeugt das hier offenbarte Verfahren einen genauen Schätzwert des Spulenstroms mit hoher Bandbreite und geringem Rauschen bei geringen Kosten. Das hier offenbarte Verfahren kann unter Verwendung von analoger Hardware, digitaler Hardware, Firmware oder einer Kombination daraus implementiert werden.
Mit Bezug nun auf 4 ist ein Funktionsblockdiagramm eines Systems 200 zum Erfassen des Spulenstroms gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das System 200 umfasst ein Hochpassfiltermodul 202, ein Schätzmodul 204, ein Tiefpassfiltermodul 206 und ein Kombinationsmodul 208. Das Hochpassfiltermodul 202 enthält ein Hochpassfilter. Das Tiefpassfiltermodul 206 enthält ein Tiefpassfilter. Das Hochpassfilter und das Tiefpassfilter weisen die gleiche Eckfrequenz (d. h. 3 dB-Grenzfrequenz) und die gleiche Verstärkung auf.
Die Eckfrequenz und die Verstärkung des Hochpassfilters und des Tiefpassfilters können von einem Anwender gewählt werden. Der Anwender kann beispielsweise unter Verwendung von Leistungsmanagementbusbefehlen (PMbus-Befehlen) oder Befehlen einer graphischen Benutzerschnittstelle (GUI-Befehlen) mit dem Controller kommunizieren, um die Eckfrequenz und die Verstärkung zu wählen.
Das Hochpassfiltermodul 202 empfängt den Mittelwert der Ausgangsspannung des Umsetzers (V_outavg) und den Mittelwert der Schaltspannung V_avgsw, welche von dem Controller verfügbar ist, der den Umsetzer steuert. Der Mittelwert der Schaltspannung V_avgsw ist proportional zum Tastverhältnis. Folglich kann der Mittelwert der Schaltspannung V_avgsw auch als V_duty bezeichnet werden (d. h. die Tastverhältnisspannung). Das Hochpassfiltermodul 202 filtert V_avgsw und V_outavg. Der Ausgang des Hochpassfiltermoduls 202 V_indhp ist frei vom DC-Versatz. V_indhp wird in das Schätzmodul 204 eingegeben. Das Schätzmodul 204 verwendet das vorstehend beschriebene mathematische Modell, um den Spulenstrom zu schätzen, und erzeugt den geschätzten Spulenstrom i_esthp, der frei von DC-Versatz ist.
Das Tiefpassfiltermodul 206 filtert den Spulenstrom i_est, der unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Impedanzabgleichverfahrens erfasst wurde (siehe Beschreibung von 2). Das Tiefpassfiltermodul 206 entfernt das hochfrequente Rauschen aus denn erfassten Spulenstrom i_est und gibt i_estlp aus, der frei vom Hochfrequenzrauschen ist. Das Kombinationsmodul 208 kombiniert den Ausgang des Schätzmoduls 204 i_esthp und den Ausgang des Tiefpassfiltermoduls 206 i_estlp, um einen gemischten Spulenstrom i_blend zu erzeugen, der frei vom DC-Versatz und vom Hochfrequenzrauschen ist.
Mit Bezug nun auf 5 ist ein System 200-1 gezeigt. Das System 200-1 umfasst den in 2 gezeigten Umsetzer 30, das in 3A und 3B gezeigte System 100 und das in 4 gezeigte System 200. Die Arbeitsweisen des Umsetzers 30, des Systems 100 und des Systems 200 sind vorstehend beschrieben und werden nicht wiederholt.
Mit Bezug nun auf 6A–8D sind verschiedene Implementierungen (z. B. analoge, digitale und Firmwareimplementierungen) jedes Moduls des Systems 200 gezeigt. In 6A–6D sind verschiedene Implementierungen des Hochpassfiltermoduls 202 gezeigt. In 7 ist eine digitale Implementierung des Schätzmoduls 204 gezeigt. In 8A–8D sind verschiedene Implementierungen des Tiefpassfiltermoduls 206 gezeigt.
In 6A ist ein diskretes Hochpassfilter (z. B. ein digitales Hochpassfilter erster Ordnung) gezeigt, wobei α die Polstelle des Hochpassfilters im Z-Bereich ist. In 6B ist eine digitale Implementierung des diskreten Hochpassfilters gezeigt, welche Addierer, eine Verzögerungsstufe und eine Verstärkungsstufe umfasst. Die Addierer 220, 222 und 224 stellen Summierungsknoten dar. Eine Verzögerungsstufe 226 fügt eine Verzögerung ein, die durch 1/z bezeichnet ist. Eine Verstärkungsstufe 228 ist unter Verwendung eines Multiplizierers implementiert, wobei blend (d. h. die Verstärkung) = 1/(1 – α).
Das Hochpassfiltermodul 202 kann auf der Grundlage eines Leistungscontrollers durch Firmware in einem digitalen Signalprozessor (DSP) implementiert sein. Die Firmware kann Code für die folgenden Gleichungen enthalten: V_ind = V_duty(n) – V_out(n), und V_indhp = V_ind(n) + V_indhp·(1 – 1/blend) – V_ind(n – 1), wobei n einen aktuellen Abtastzeitpunkt bezeichnet und (n – 1) einen vorherigen Abtastzeitpunkt bezeichnet. Durch Einsetzen von blend = 1/(1 – α) wird aus der Gleichung für V_idhp V_indhp = V_ind(n) + V_indhp·α – V_ind(n – 1).
In 6C und 6D sind analoge Implementierungen des Hochpassfilters gezeigt. In 6C ist ein analoges Hochpassfilter gezeigt, das unter Verwendung von passiven Komponenten (einer RC-Schaltung) implementiert ist. Die Eckfrequenz des Hochpassfilters ist gegeben durch f_c = 1/2πRC. In 6D ist ein analoges Hochpassfilter gezeigt, das unter Verwendung aktiver Komponenten implementiert ist. Die Eckfrequenz des Hochpassfilters ist gegeben durch f_c = 1/2πR₁C. Die Hochfrequenzsignale werden invertiert und um R₂/R₁ verstärkt. Entsprechend beträgt die Verstärkung des Hochpassfilters (–R₂/R₁).
In 7 umfasst das Schätzmadul 204 einen Multiplizierer 250, einen Addierer 252, eine Verzögerungsstufe 254 und einen Multiplizierer 256. Der Eingang an das Schätzmodul ist der Ausgang V_indhp des Hochpassfiltermoduls 202, welcher frei vom DC-Versatz ist. Der Multiplizierer 250 multipliziert V_indhp. Der Addierer 252 addiert den Ausgang des Multiplizierers 250 und einen Ausgang des Multiplizierers 256. Die Verzögerungsstufe 254 verzögert einen Ausgang des Addierers 252. Der Multiplizierer 256 multipliziert den Ausgang der Verzögerungsstufe 254. Der Ausgang der Verzögerungsstufe 254 ist der geschätzte Spulenstrom i_esthp, der frei vom DC-Versatz ist. Da die Zeitkonstante der Spule L (L/R) viel größer als die Abtastzeit T_s ist, können A_est und B_est typischerweise als B_est = T_s/L und A_est = 1 – R_dc·T_s/L angenähert werden.
Das Schätzmodul 204 kann durch Firmware in einem auf einem DSP beruhenden Leistungscontroller implementiert sein. Die Firmware kann Code für die folgende Gleichung enthalten: i_est(n + 1) = A_est·i_est(n) + B_est·V_indhp(n), wobei n einen aktuellen Abtastzeitpunkt bezeichnet und (n + 1) einen nachfolgenden Abtastzeitpunkt bezeichnet.
In 8A ist ein diskretes Tiefpassfilter (z. B. ein digitales Tiefpassfilter erster Ordnung) gezeigt, wobei β die Polstelle des Tiefpassfilters im Z-Bereich ist. In 8B ist eine digitale Implementierung des diskreten Tiefpassfilters gezeigt, die Addierer, eine Verzögerungsstufe und eine Verstärkungsstufe umfasst. Die Addierer 270 und 272 stellen Summierungsknoten dar. Eine Verzögerungsstufe 274 fügt eine Verzögerung ein, die durch 1/z bezeichnet ist. Eine Verstärkungsstufe 276 ist unter Verwendung eines Multiplizierers implementiert, wobei β = 1/(1 – blend).
Das Tiefpassfiltermodul 206 kann durch Firmware in einem auf einem DSP beruhenden Leistungscontroller implementiert sein. Die Firmware kann Code für die folgende Gleichung enthalten: i_estlp(n) = blend·i_est(n – 1) + (1 – 1/blend)·i_estlp(n – 1), wobei n einen aktuellen Abtastzeitpunkt bezeichnet und (n – 1) einen vorherigen Abtastzeitpunkt bezeichnet. Alternativ ist t_estlp(n) = β·i_est(n – 1) + (1 – 1/β)·i_estlp(n – 1).
In 8C und 8D sind analoge Implementierungen des Tiefpassfilters gezeigt. In 8C ist ein analoges Tiefpassfilter gezeigt, das unter Verwendung passiver Komponenten (einer RC-Schaltung) implementiert ist. Die Eckfrequenz des Tiefpassfilters ist gegeben durch f_c = 1/2πRC. In 8D ist ein analoges Tiefpassfilter gezeigt, das unter Verwendung aktiver Komponenten implementiert ist. Die Eckfrequenz des Tiefpassfilters ist gegeben durch f_c = 1/2πR₂C. Die Verstärkung des Tiefpassfilters beträgt (–R₂/R₁).
Das Kombinationsmodul 208 kombiniert den Ausgang des Schätzmoduls 204 i_esthp und den Ausgang des Tiefpassfiltermoduls 206 i_estlp, um den zusammengesetzten Schätzwert des Spulenstroms i_blend zu erzeugen, der durch die folgende Gleichung gegeben ist: i_blend = i_esthp + i_estlp.
Die Polstelle des Tiefpassfiltermoduls 206 ist gleich der Polstelle des Hochpassfiltermoduls 202. Folglich weist der zusammengesetzte Schätzwert des Spulenstroms i_blend keinen DC-Versatz und kein Hochfrequenzrauschen auf und weist eine hohe Bandbreite, eine hohe Genauigkeit und geringes Rauschen auf.
Mit Bezug nun auf 9A ist eine analoge Implementierung des Systems 200 gezeigt. In 9A zeigt die Tieferstellung ”h” in einem Komponentensymbol an, dass die Komponente Teil eines Hochpassfilters ist, und die Tieferstellung ”l” in einem Komponentensymbol zeigt an, dass die Komponente Teil eines Tiefpassfilters ist. V_ε stellt einen geschätzten Stromeingang an ein Hochpassfilter dar. V_m stellt einen gemessenen Stromeingang an ein Tiefpassfilter dar. Der Ausgang i_blend ist eine Mischung aus dem geschätzten Strom V_ε und dem gemessenen Strom V_m und ist gegeben durch die folgende Gleichung: i_blend = (R/R1)·(R_fh·C_h·S)/(R_fh·C_h·s + 1) + (R/R2)·(R₁/R₁·C₁·s + 1)
s ist eine Variable der Laplacetransformation. Werte von Widerständen von Kapazitäten, die in 9A gezeigt sind, werden so gewählt, dass die vorstehende Gleichung erfüllt ist.
Mit Bezug nun auf 9B ist eine simulierte Darstellung der analogen Implementierung gezeigt. K1 = R/R1 und K2 = R/R2.
Mit Bezug nun auf 10 ist ein Verfahren 300 zum Schätzen eines Spulenstroms gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die Steuerung beginnt bei 302. Bei 304 digitalisiert und mittelt die Steuerung die Ausgangsspannung des Umsetzers. Bei 306 filtert die Steuerung die Differenz wischen dem Mittelwert der Ausgangsspannung und dem Mittelwert der Schaltspannung unter Verwendung eines Hochpassfilters und entfernt einen DC-Versatz. Bei 308 erzeugt die Steuerung einen ersten geschätzten Spulenstrom unter Verwendung eines mathematischen Modells der Spule und des DC-Widerstandswerts der Ausgangsstufe des Umsetzers.
Bei 310 erzeugt die Steuerung einen zweiten geschätzten Spulenstrom aus der erfassten Spulenspannung unter Verwendung einer RC-Schaltung mit abgeglichener Impedanz, die über die Spule geschaltet ist. Bei 312 filtert die Steuerung den zweiten geschätzten Spulenstrom unter Verwendung eines Tiefpassfilters und entfernt Hochfrequenzrauschen. Bei 314 kombiniert die Steuerung den ersten geschätzten Spulenstrom und den gefilterten zweiten geschätzten Spulenstrom, um den zusammengesetzten Schätzwert des Spulenstroms zu erzeugen, welcher keinen DC-Versatz und kein Hochfrequenzrauschen aufweist. Die Steuerung kehrt zu 304 zurück.
Die weit gefassten Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen implementiert werden. Obwohl diese Offenbarung spezielle Beispiele enthält, soll der tatsächliche Umfang der Offenbarung nicht darauf begrenzt sein, da sich dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche weitere Modifikationen offenbaren werden.

Claims

System, das umfasst: ein Mittelwertmodul, das eine Ausgangsspannung einer Stromversorgung empfängt und das einen Mittelwert der Ausgangsspannung erzeugt; ein Hochpassfiltermodul, das einen Mittelwert einer Schaltspannung empfängt, die zum Steuern von Schaltern in einer Ausgangsstufe der Stromversorgung verwendet wird, und das eine Differenz zwischen dem Mittelwert der Ausgangsspannung und dem Mittelwert der Schaltspannung filtert; ein Schätzmodul, das einen ersten gefilterten Strom durch eine Spule in der Ausgangsstufe hindurch auf der Grundlage eines Ausgangs des Hochpassfiltermoduls schätzt; ein Erfassungsmodul, das eine Spannung über der Spule erfasst und das einen zweiten Strom durch die Spule hindurch schätzt; ein Tiefpassfiltermodul, das den zweiten Strom filtert; und ein Kombinationsmodul, das den ersten gefilterten Strom und den zweiten gefilterten Strom kombiniert, um einen geschätzten Strom durch die Spule hindurch zu erzeugen.
System nach Anspruch 1, wobei: das Hochpassfiltermodul ein Hochpassfilter mit einer ersten Eckfrequenz enthält; das Tiefpassfiltermodul ein Tiefpassfilter mit einer zweiten Eckfrequenz enthält; und die erste Eckfrequenz gleich der zweiten Eckfrequenz ist.
System nach Anspruch 1, wobei: das Hochpassfiltermodul ein Hochpassfilter mit einer ersten Verstärkung enthält; das Tiefpassfiltermodul ein Tiefpassfilter mit einer zweiten Verstärkung enthält; und die erste Verstärkung gleich der zweiten Verstärkung ist.
System nach Anspruch 1, wobei: das Hochpassfiltermodul ein Hochpassfilter enthält, das eine erste Polstelle aufweist; das Tiefpassfiltermodul ein Tiefpassfilter enthält, das eine zweite Polstelle aufweist; und die erste Polstelle gleich der zweiten Polstelle ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Erfassungsmodul eine Schaltung umfasst, die über die Spule geschaltet ist, und wobei eine Impedanz der Schaltung mit einer Impedanz der Spule übereinstimmt.
System nach Anspruch 1, wobei das Schätzmodul den ersten Strom durch die Spule unter Verwendung eines Modells der Spule schätzt.
System nach Anspruch 1, wobei das Hochpassfiltermodul, das Schätzmodul, das Tiefpassfiltermodul und das Kombinationsmodul unter Verwendung von passiven und/oder aktiven analogen Komponenten implementiert sind, die Widerstandswerte, Kapazitäten und Operationsverstärker umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei das Hochpassfiltermodul, das Schätzmodul, das Tiefpassfiltermodul und das Kombinationsmodul unter Verwendung einer digitalen Logik implementiert sind, die Addierer, Multiplizierer und eine Verzögerungsstufe enthält.
System nach Anspruch 1, wobei das Hochpassfiltermodul, das Schätzmodul, das Tiefpassfiltermodul und das Kombinationsmodul unter Verwendung einer Firmware implementiert sind, die Anweisungen enthält, die von einem digitalen Signalprozessor (DSP), der den Umsetzer steuert, ausgeführt werden können.
Verfahren, dass umfasst, dass: ein Mittelwert einer Ausgangsspannung erzeugt wird, indem eine Ausgangsspannung einer Stromversorgung gemittelt wird; eine Differenz zwischen dem Mittelwert der Ausgangsspannung und einem Mittelwert einer Schaltspannung, die zum Steuern von Schaltern in einer Ausgangsstufe der Stromversorgung verwendet wird, gefiltert wird; ein erster gefilterter Strom durch eine Spule in der Ausgangsstufe hindurch auf der Grundlage eines Ausgangs des Hochpassfilters geschätzt wird; ein zweiter Strom durch die Spule hindurch durch Erfassen einer Spannung über der Spule geschätzt wird; der zweite Strom unter Verwendung eines Tiefpassfilters gefiltert wird; und der erste gefilterte Strom und der zweite gefilterte Strom kombiniert werden, um einen geschätzten Strom durch die Spule hindurch zu erzeugen.