DE102012003550B4

DE102012003550B4 - Systeme und verfahren zur optimalwertsteuerung eines laststroms in dc/dc-abwärtsumsetzern

Info

Publication number: DE102012003550B4
Application number: DE102012003550.0A
Authority: DE
Inventors: Mansur KIADEH; Paul Latham
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: US8723499B2; DE102012003550A1; US20140247032A1; US20120217945A1; CN102684475B; CN102684475A; US9438110B2

Abstract

Optimalwert-Steuersystem für einen Laststrom in einem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer (DC/DC-Umsetzer) (10), wobei das Optimalwert-Steuersystem umfasst:ein Stromnormierungsmodul (50), das einen normierten Laststrom erzeugt, indem eine Verstärkung eines gemessenen Laststroms mit einer Verstärkung eines Induktivitätenstroms abgeglichen wird;ein Optimalwert-Erzeugungsmodul (54), das ein Laststromoptimalwertsignal (LCFF-Signal) auf der Grundlage des normierten Laststroms erzeugt; undein Tastverhältnis-Erzeugungsmodul (58), das ein Tastverhältnis für den DC/DC-Umsetzer (10) auf der Grundlage einer befohlenen Ausgangsspannung und des LCFF-Signals erzeugt.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Steuersysteme für Stromversorgungen und insbesondere Systeme und Verfahren zur Optimalwertsteuerung eines Laststroms in Gleichstrom/Gleichstrom-Abwärtsumsetzern (DC/DC-Abwärtsumsetzern).
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.
Eine Stromversorgung gibt eine vorbestimmte Spannung aus, die verwendet werden kann, um eine oder mehrere Komponenten mit Leistung zu versorgen. Beispielsweise kann die vorbestimmte Spannung eine oder mehrere Komponenten einer integrierten Schaltung (IC) mit Leistung versorgen. In einigen Situationen jedoch kann eine Spannung, die niedriger als die vorbestimmte Spannung ist, ausreichen, um eine oder mehrere Komponenten mit Leistung zu versorgen. Die niedrigere Spannung kann aus der vorbestimmten Spannung unter Verwendung einer Spannungsteilerschaltung erhalten werden. Spannungsteilerschaltungen sind jedoch ineffizient und ungenau.
Ein abwärts transformierender Umsetzer (d. h. ein Abwärtsumsetzer) kann implementiert werden, um die niedrigere Spannung bereitzustellen. Unter bestimmten Bedingungen ist ein Abwärtsumsetzer allgemein effizienter und genauer als eine Spannungsteilerschaltung. Ein Abwärtsumsetzer kann eine Induktivität, einen Kondensator, zwei Schalter und einen Controller umfassen. Der Abwärtsumsetzer wechselt zwischen dem Aufladen der Induktivität durch Verbinden der Induktivität mit der vorbestimmten Spannung und dem Entladen der Induktivität an eine Last hin und her.
Die US 2007/0236201 A1 offenbart eine Korrekturschaltung zur Verwendung in einem Schaltnetzteil für ein verbessertes Last-Transientenverhalten. Die Korrekturschaltung liefert ein Korrektursignal, das eine notwendige Anpassung des Tastverhältnisses anzeigt, um die Pulsweitenmodulation der Stromversorgung so zu ändern, dass der ausgangsseitige Induktivitätsstrom dem Laststrom entspricht.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Optimalwert-Steuersystem für einen Laststrom in einem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer (DC/DC-Umsetzer) umfasst ein Stromnormierungsmodul, ein Optimalwert-Erzeugungsmodul und ein Tastverhältnis-Erzeugungsmodul. Das Stromnormierungsmodul erzeugt einen normierten Laststrom, indem eine Verstärkung eines gemessenen Laststroms mit einer Verstärkung eines Induktivitätenstroms abgeglichen wird. Das Optimalwert-Erzeugungsmodul erzeugt ein Laststrom-Optimalwertsignal (LCFF-Signal) auf der Grundlage des normierten Laststroms. Das Tastverhältnis-Erzeugungsmodul erzeugt ein Tastverhältnis für den DC/DC-Umsetzer auf der Grundlage einer befohlenen Ausgangsspannung und des LCFF-Signals.
Ein Verfahren zur Optimalwertsteuerung eines Laststroms in einem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer (DC/DC-Umsetzer) umfasst, dass ein normierter Laststrom erzeugt wird, indem eine Verstärkung eines gemessenen Laststroms mit einer Verstärkung eines Induktivitätenstroms abgeglichen wird, dass ein Laststrom-Optimalwertsignal (LCFF-Signal) auf der Grundlage des normierten Laststroms erzeugt wird und dass ein Tastverhältnis für den DC/DC-Umsetzer auf der Grundlage einer befohlenen Ausgangsspannung und des LCFF-Signals erzeugt 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 zu Veranschaulichungszwecken gedacht sind und den Umfang der Offenbarung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird anhand der genauen Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen vollständiger verstanden werden, in denen:

1 ein Funktionsblockdiagramm eines DC/DC-Abwärtsumsetzers gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung ist;
2 ein Funktionsblockdiagramm eines Steuermoduls für den DC/DC-Abwärtsumsetzer gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung ist;
3A ein Funktionsblockdiagramm eines Stromnormierungsmoduls und eines Optimalwert-Erzeugungsmoduls gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung ist;
3B ein Flussdiagramm ist, das Schritte eines ersten Verfahrens zur Optimalwertsteuerung eines Laststroms in einem DC/DC-Abwärtsumsetzer gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung darstellt;
4A ein Funktionsblockdiagramm des Stromnormierungsmoduls und des Optimalwert-Erzeugungsmoduls gemäß einer anderen Implementierung der vorliegenden Offenbarung ist;
4B ein Flussdiagramm ist, das Schritte eines zweiten Verfahrens zur Optimalwertsteuerung eines Laststroms in einem DC/DC-Abwärtsumsetzer gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung darstellt;
4C eine graphische Darstellung ist, die simulierte Ergebnisse des zweiten Verfahrens zur Optimalwertsteuerung eines Laststroms in einem DC/DC-Abwärtsumsetzer darstellt;
5A ein Funktionsblockdiagramm eines Moduls zum Erzeugen eines Laststrom-Optimalwertsignals (LCFF-Signals) auf der Grundlage eines Produkts aus einem normierten Laststrom und einer Differenz zwischen einem Induktivitätenstrom und dem normierten Laststrom gemäß einer anderen Implementierung der vorliegenden Offenbarung ist;
5B ein Flussdiagramm ist, das Schritte eines dritten Verfahrens zur Optimalwertsteuerung des Laststroms in einem DC/DC-Abwärtsumsetzer gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
6 eine graphische Darstellung ist, die simulierte Ergebnisse des Implementierens einer Optimalwertsteuerung eines Laststroms in einem DC/DC-Abwärtsumsetzer gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung darstellt, wobei außerdem Rückkopplungsverstärkungen verringert werden.

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 ist zu verstehen, 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 Gate Array (FPGA); einen Prozessor (gemeinsam genutzt, dediziert, oder Gruppe), der einen Code ausgeführt; 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) umfassen, der einen Code speichert, der von dem Prozessor ausgeführt wird.
So wie er vorstehend verwendet wird, kann der Begriff „Code“ Software, Firmware und/oder Microcode 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 von einem einzigen (gemeinsam genutzten) Speicher gespeichert werden. So wie er vorstehend verwendet wird, bedeutet der Begriff „Gruppe“, 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 werden.
Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können von einem oder mehreren Computerprogrammen implementiert werden, die von einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Die Computerprogramme enthalten durch einen Prozessor ausführbare Anweisungen, die in einem nicht vorübergehenden konkreten computerlesbaren Medium gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten enthalten. Beispiele ohne Beschränkung des nicht vorübergehenden konkreten computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtiger Speicher, magnetischer Massenspeicher und optischer Massenspeicher.
Ein Spannungssprung bezeichnet eine Veränderung bei der befohlenen Ausgangsspannung eines Abwärtsumsetzers. Beispielsweise bezeichnet ein Abwärtssprung eine Verringerung der befohlenen Ausgangsspannung. Ein Steuersystem kann die Ausgangsspannung steuern, indem es ein Tastverhältnis von Schaltern im Abwärtsumsetzer auf der Grundlage einer Ausgangsspannungsrückkopplung justiert. Eine langsame Rückkopplung nach einem Spannungssprung kann jedoch die Antwort auf einen Lastsprung („Sprungantwort“) durch das Steuersystem erhöhen. Die erhöhte Sprungantwort kann beispielsweise einen Ausgangsspannungsabfall verursachen. Die Bandbreite des Steuersystems kann erhöht werden, um die Sprungantwort zu verbessern. Das Erhöhen der Bandbreite kann jedoch auch ein Rauschen erhöhen.
Eine „scheinbare Bandbreite“ bezeichnet eine effektive Bandbreite, die vom Steuersystem erreicht wird. Die scheinbare Bandbreite kann beispielsweise erhöht werden, ohne die tatsächliche Bandbreite des Steuersystems zu erhöhen. Daher kann ein Erhöhen der scheinbaren Bandbreite des Steuersystems die Sprungantwort verbessern, ohne das Rauschen zu erhöhen. Darüber hinaus kann als Folge der erhöhten scheinbaren Bandbreite die Größe des Kondensators im Abwärtsumsetzer verringert werden, wobei ein geringer Spannungsabfall und eine sanfte Erholung nach einem Lastsprung beibehalten werden, während außerdem der Platz und die Kosten verringert werden. Die Verwendung einer Optimalwertsteuerung des Laststroms kann verwendet werden, um die scheinbare Bandbreite des Steuersystems zu erhöhen.
Folglich werden Systeme und Verfahren zur Optimalwertsteuerung eines Laststroms in einem DC/DC-Abwärtsumsetzer bereitgestellt. Die Systeme oder Verfahren können beispielsweise über (i) Firmware/Hardware, (ii) analoge Komponenten (z. B. Operationsverstärker) und/oder (iii) digitale Komponenten (z. B. eine digitale Signalverarbeitung oder DSP-Controller) implementiert werden. Die Systeme und Verfahren umfassen, dass ein Laststrom-Optimalwertsignal (LCFF-Signal) auf der Grundlage des Laststroms (und in einigen Fällen auch auf der Grundlage des Induktivitätenstroms) erzeugt wird. Das LCFF-Signal kann dann zu einem Basistastverhältnis (beruhend auf der befohlenen Spannung) addiert werden, um das Tastverhältnis für die Schalter im Abwärtsumsetzer zu erzeugen. Beispielsweise kann der Laststrom unter Verwendung einer Leiterbahn einer Leiterplatte (PCB) gemessen werden und der Induktivitätenstrom kann unter Verwendung eines Gleichstromwiderstandswerts-Verfahrens (DCR-Verfahrens) gemessen werden.
Ein Widerstandswert eines Anschlussdrahts, die zum Messen des Laststroms verwendet wird, kann jedoch unbekannt sein, und daher kann der gemessene Laststrom ungenau sein. Daher kann der gemessene Laststrom normiert werden, um eine Verstärkung des Laststroms mit einer Verstärkung des gemessenen Induktivitätenstroms abzugleichen. Der normierte Strom kann beispielsweise unter Verwendung eines Filters der kleinsten mittleren Quadrate (LMS-Filters) erzeugt werden. Das LCFF-Signal kann auf der Grundlage des normierten Stroms gemäß einem von drei Verfahren erzeugt werden. Ein erstes Verfahren umfasst, dass das LCFF-Signal auf der Grundlage des normierten Stroms erzeugt wird. Ein zweites Verfahren umfasst, dass das LCFF-Signal auf der Grundlage eines Quadrats des Fehlers zwischen dem normierten Strom und dem Induktivitätenstrom erzeugt wird. Ein drittes Verfahren umfasst, dass das LCFF-Signal auf der Grundlage eines Produkts aus dem Induktivitätenstrom und einer Differenz zwischen dem normierten Strom und dem Induktivitätenstrom erzeugt wird.
Bei einigen Implementierungen können das erste, zweite oder dritte Verfahren auch ein Hochpassfilter (HPF) implementieren, um einen beliebigen DC-Fehler/Versatz zu entfernen. Ein DC-Versatz kann beispielsweise nach einer Analog/Digital-Umsetzung (A/D-Umsetzung) vorhanden sein. Die Systeme und Verfahren sind jedoch sowohl für digitale als auch für analoge Systeme anwendbar. Nur als Beispiel können die Systeme und Verfahren einen Ausgangsspannungsabfall um 1,0 - 1,5% verringern. Zudem können die Systeme und Verfahren nur als Beispiel ermöglichen, dass eine Größe des Abwärtsumsetzerkondensators um 30 - 50% verringert wird (wodurch der Platz und die Kosten verringert werden), während das Verhalten dennoch beibehalten wird.
Mit Bezug nun auf 1 ist ein Beispiel eines DC/DC-Abwärtsumsetzers 10 gezeigt. Der Abwärtsumsetzer 10 umfasst ein Schaltmodul 12, das eine Verbindung zwischen einer Eingangsspannung (V_IN ) und einer Induktivität 14 steuert. Insbesondere schaltet das Schaltmodul 12 die Verbindung zwischen der Induktivität 14 und der Eingangsspannung V_IN in Übereinstimmung mit einem Tastverhältnis. Das Schaltmodul 12 kann beispielsweise eine digitale Pulsbreitenmodulationsvorrichtung (DPWM) und Feldeffekttransistoren (FETs) (nicht gezeigt) enthalten. Ein Kondensator 16 ist zwischen die Induktivität 14 und Masse geschaltet, um eine Filterung einer Ausgangsspannung (V_OUT ) und eine Glättung der Sprungantwort bereitzustellen. Wenn das Schaltmodul 12 die Eingangsspannung V_IN von der Induktivität 14 trennt, entladen sich die Induktivität 14 und der Kondensator 16 (die gemeinsam als eine Induktivität-Kondensator-Schaltung oder LC-Schaltung bezeichnet werden) an der Ausgangsspannung V_OUT , die eine kleinere Größe als die Eingangsspannung (V_IN ) aufweist.
Ein Gleichstromwiderstandswertmodul (DCR-Modul) 18 führt eine DCR-Stromerfassung durch, um einen Strom zu messen, der durch die Induktivität fließt (I_IND ). Das DCR-Modul 18 kann beispielsweise eine Widerstands-Kondensator-Schaltung (RC-Schaltung) (nicht gezeigt) enthalten, die über die Induktivität 14 parallel geschaltet ist. Ein Steuermodul 20 erzeugt das Tastverhältnis für das Schaltmodul 12 auf der Grundlage des Induktivitätenstroms I-_IND, des Laststroms (ILOAD) und einer befohlenen Spannung (VCMD). Die befohlene Spannung V_CMD stellt eine Sollspannung dar, die vom Abwärtsumsetzer 10 erzeugt werden soll.
Der Laststrom I_LOAD stellt andererseits einen Strom dar, der aus dem Abwärtsumsetzer 10 zu einer angeschlossenen Last fließt. Der Laststrom I_LOAD kann beispielsweise über eine PCB-Leiterbahn gemessen werden. Insbesondere ist der Laststrom I_LOAD messbar, weil ein Ausgangsanschlussdraht des Abwärtsumsetzers 10 einen eingebauten Widerstandswert aufweist. Der eingebaute Widerstandswert ist jedoch unbekannt. Daher kann der gemessene Laststrom I_LOAD ungenau sein. Folglich kann der gemessene Laststrom I_LOAD normiert werden, indem eine Verstärkung des gemessenen Laststroms I_LOAD mit einer Verstärkung des Induktivitätenstroms I_IND abgeglichen wird. Der gemessene Laststrom kann beispielsweise unter Verwendung eines LMS-Filters (nicht gezeigt) normiert werden.
Mit Bezug nun auf 2 ist ein Beispiel des Steuermoduls 20 gezeigt. Das Steuermodul 20 enthält ein Stromnormierungsmodul 50, ein Optimalwert-Erzeugungsmodul 54, ein Tastverhältnis-Erzeugungsmodul 58 und ein Hauptschleifen-Kompensationsmodul 62. Das Tastverhältnis-Erzeugungsmodul 58 kann ferner ein Tastverhältnismodul 66 und ein Summiermodul 70 enthalten.
Das Stromnormierungsmodul 50 empfängt den Laststrom I_LOAD und den Induktivitätenstrom I_IND . In einigen Implementierungen kann das Stromnormierungsmodul 50 von Analog/Digital-Umsetzern (A/D-Umsetzern) erzeugte digitale Signale empfangen, welche den Laststrom I_LOAD bzw. den Induktivitätenstrom I_IND darstellen. Alternativ kann das Stromnormierungsmodul 50 den Laststrom I_LOAD und den Induktivitätenstrom I_IND direkt empfangen (d. h. eine analoge Arbeitsweise). Das Stromnormierungsmodul 50 normiert den Laststrom I_LOAD , um einen normierten Laststrom IN zu erzeugen. Insbesondere gleicht das Stromnormierungsmodul 50 eine Verstärkung des Laststroms ILOAD mit einer Verstärkung des Induktivitätenstroms I_IND ab.
Das Optimalwert-Erzeugungsmodul 54 empfängt den normierten Laststrom I_N. Das Optimalwert-Erzeugungsmodul 54 erzeugt ein LCFF-Signal gemäß einem von drei Verfahren (die hier nachstehend als das erste, zweite bzw. dritte Optimalwertverfahren bezeichnet werden). Gemäß dem ersten Optimalwertverfahren kann das Optimalwert-Erzeugungsmodul 54 das LCFF-Signal auf der Grundlage des normierten Laststroms IN erzeugen. Das von dem ersten Optimalwertverfahren erzeugte LCFF-Signal kann Voltsekunden der Induktivität darstellen, die durch den Laststrom angefordert werden.
Gemäß dem zweiten Optimalwertverfahren kann das Optimalwert-Erzeugungsmodul 54 das LCFF-Signal auf der Grundlage eines Quadrats des Fehlers zwischen dem normierten Laststrom IN und dem Induktivitätenstrom I_IND erzeugen. Das von dem zweiten Optimalwertverfahren erzeugte LCFF-Signal kann ein näherungsweises Tastverhältnis darstellen, das durch den Laststrom angefordert wird. Gemäß dem dritten Optimalwertverfahren kann das Optimalwert-Erzeugungsmodul 54 das LCFF-Signal auf der Grundlage eines Produkts aus dem Induktivitätenstrom I_IND und der Differenz zwischen dem normierten Laststrom IN und dem Induktivitätenstrom I_IND erzeugen. Das von dem dritten Optimalwertverfahren erzeugte LCFF-Signal kann die Erzeugung eines idealen Tastverhältnisses darstellen.
Das Hauptschleifen-Kompensationsmodul 62 erzeugt einen Wert für das Tastverhältnis-Erzeugungsmodul 58. Der Wert kann beispielsweise eine rückkopplungsbasierte Steuerung des Tastverhältnisses darstellen. Mit anderen Worten kann der Wert eine zum Erreichen der befohlenen Spannung V_CMD an der Ausgangsspannung V_OUT benötigte Veränderung beim Tastverhältnis darstellen. Das Tastverhältnismodul 66 erzeugt ein Basistastverhältnis auf der Grundlage des Werts vom Hauptschleifen-Kompensationsmodul 62. Das Summiermodul 70 erzeugt das Tastverhältnis für das Schaltmodul 12 auf der Grundlage einer Summe aus dem Basistastverhältnis und dem LCFF-Signal (vom Optimalwert-Erzeugungsmodul 54).
Mit Bezug nun auf 3A ist ein Beispiel des Stromnormierungsmoduls 50 und des Optimalwert-Erzeugungsmoduls 54 gemäß dem ersten Optimalwertverfahren gezeigt. Das Stromnormierungsmodul 50 enthält ein Multiplikationsmodul 100, ein Vorzeichenmodul 102, ein Verstärkungsmodul 104, ein Summiermodul 106, ein Laufzeitmodul 108, ein Multiplikationsmodul 110 und ein Fehlermodul 112.
Das Multiplikationsmodul 100 erzeugt ein Produkt aus dem Laststrom I_LOAD und dem normierten Strom IN (als Rückkopplung empfangen). Das Vorzeichenmodul 102 schaltet ein Vorzeichen des Produkts um. Das Verstärkungsmodul 104 wendet eine Verstärkung auf das vorzeichenbehaftete Produkt an. Das Summiermodul 106 berechnet eine Summe aus der Ausgabe des Verstärkungsmoduls 104 und einem ersten Korrekturfaktor. Das Laufzeitmodul 108 bringt in die Summe eine Verzögerung um einen Abtastwert (Ts) ein, um den ersten Korrekturfaktor zu erzeugen. Die Verzögerung um einen Abtastwert Ts kann beispielsweise eingeführt werden, weil eine Laplace-Transformation zum Zweck der Tastverhältnissteuerung verschiedene Metriken aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich umgesetzt hat. Das Multiplikationsmodul 110 erzeugt ein Produkt aus dem Laststrom I_LOAD und dem ersten Korrekturfaktor. Das Fehlermodul 112 erzeugt den normierten Strom IN auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Induktivitätenstrom I_IND und dem Produkt.
Das Optimalwert-Erzeugungsmodul 54 enthält ein Verstärkungsmodul 120, ein Fehlermodul 122, ein Sättigungsmodul 124, ein Summiermodul 126, ein Laufzeitmodul 128 und ein Fehlermodul 130. Das Verstärkungsmodul 120 wendet eine Verstärkung auf den normierten Strom IN an. Das Fehlermodul 122 berechnet einen Fehler zwischen dem Ausgang des Verstärkungsmoduls 120 und einem zweiten Korrekturfaktor. Das Sättigungsmodul 124 begrenzt den Fehler auf einen vorbestimmten Bereich. Das Begrenzen der Summe auf einen vorbestimmten Bereich (d. h. Sättigungsgrenzen) kann beispielsweise ein Windup verhindern. Zudem kann der vorbestimmte Bereich nur als Beispiel auf einer Versorgungsspannung (V_DD ) und einer Bulk-Spannung (V_BULK ) einer niederspannungsseitigen Body-Diode beruhen. Das Summiermodul 126 berechnet eine Summe aus dem begrenzten Fehler und dem zweiten Korrekturfaktor. Das Laufzeitmodul 128 führt eine Verzögerung von einer Abtastung Ts in den Ausgang des Summiermoduls 126 ein, um den zweiten Korrekturfaktor zu erzeugen. Das Fehlermodul 130 erzeugt das LCFF-Signal auf der Grundlage einer Differenz zwischen der Summe und dem zweiten Korrekturfaktor.
Mit Bezug nun auf 3B beginnt das erste Optimalwertverfahren bei 150. Bei 150 misst das Steuermodul 20 den Laststrom I_LOAD und den Induktivitätenstrom I_IND . Bei 152 berechnet das Steuermodul 20 ein Produkt aus dem Laststrom I_LOAD und dem normierten Strom I_N . Bei 154 schaltet das Steuermodul 20 ein Vorzeichen des Produkts um. Bei 156 wendet das Steuermodul 20 eine Verstärkung auf das vorzeichenbehaftete Produkt an. Bei 158 berechnet das Steuermodul 20 eine Summe aus dem modifizierten Produkt und einem ersten Korrekturfaktor (CF₁ ). Bei 160 führt das Steuermodul 20 eine Verzögerung von einer Abtastung Ts in die Summe ein, um den ersten Korrekturfaktor CF₁ zu erzeugen. Bei 162 berechnet das Steuermodul 20 ein Produkt aus dem Laststrom I_LOAD und dem ersten Korrekturfaktor CF₁ . Bei 164 erzeugt das Steuermodul 20 den normierten Strom auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Produkt und dem Induktivitätenstrom I_IND . Die Steuerung kann dann zu 166 weitergehen. Während ein Zyklus gezeigt ist, kann die Steuerung bei einigen Implementierungen zu 152 zurückkehren und erneut durchlaufen, bis die Verstärkung des Laststroms I_LOAD mit der Verstärkung des Induktivitätenstroms I_IND abgeglichen ist.
Bei 166 wendet das Steuermodul 20 eine Verstärkung auf den normierten Strom IN an. Bei 168 berechnet das Steuermodul 20 einen Fehler zwischen dem modifizierten Strom und einem zweiten Korrekturfaktor (CF₂ ). Bei 170 begrenzt das Steuermodul 20 den Fehler auf einen vorbestimmten Bereich (d. h. Sättigungsgrenzen). Bei 172 berechnet das Steuermodul 20 eine Summe aus dem begrenzten Fehler und dem zweiten Korrekturfaktor CF₂ . Bei 174 führt das Steuermodul 20 eine Verzögerung von einer Zeitspanne Ts in die Summe ein, um den zweiten Korrekturfaktor CF₂ zu erzeugen. Bei 176 erzeugt das Steuermodul 20 das LCFF-Signal auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem zweiten Korrekturfaktor CF₂ und der Summe. Bei 178 erzeugt das Steuermodul 20 das Tastverhältnis für das Schaltmodul 12 auf der Grundlage einer Summe aus einem Basistastverhältnis (beruhend auf dem Spannungsbefehl V_CMD ) und dem LCFF-Signal. Die Steuerung kann dann enden.
Mit Bezug nun auf 4A ist ein Beispiel des Stromnormierungsmoduls 50 und des Optimalwert-Erzeugungsmoduls 54 gemäß dem zweiten Optimalwertverfahren gezeigt. Das Stromnormierungsmodul 50 enthält ein Fehlermodul 200, ein Verstärkungsmodul 202, ein Summiermodul 204, ein Sättigungsmodul 206, ein Laufzeitmodul 208 und ein Multiplikationsmodul 210.
Das Fehlermodul 200 berechnet einen ersten Fehler zwischen dem Induktivitätenstrom I_LOAD und dem normierten Laststrom IN (als Rückkopplung empfangen). Das Verstärkungsmodul 202 wendet eine Verstärkung auf den ersten Fehler an. Das Summiermodul 204 berechnet eine Summe aus dem Ausgang des Verstärkungsmoduls 202 und einem ersten Korrekturfaktor. Das Sättigungsmodul 206 begrenzt die Summe auf einen vorbestimmten Bereich. Das Laufzeitmodul 208 führt eine Verzögerung von einer Zeitspanne Ts in die begrenzte Summe ein, um den ersten Korrekturfaktor zu erzeugen. Das Multiplikationsmodul 210 erzeugt den normierten Laststrom IN auf der Grundlage eines Produkts aus dem ersten Korrekturfaktor und dem Laststrom ILOAD.
Das Optimalwert-Erzeugungsmodul 54 enthält ein Verstärkungsmodul 220, ein HPF-Modul 221, ein Quadrierungsmodul 230, ein Verstärkungsmodul 232, ein Absolutwertmodul 234 und ein Schaltmodul 236. Das Verstärkungsmodul 220 wendet eine Verstärkung auf den ersten Fehler an, der vom Fehlermodul 200 berechnet wurde.
Das HPF-Modul 221 enthält ein Fehlermodul 222, ein Summiermodul 224, ein Laufzeitmodul 226 und ein HPF-Verstärkungsmodul 228. Das HPF-Modul 221 stellt eine Grenzfrequenz für eine Hochpassfilterung ein, um einen DC-Fehler/Versatz zu entfernen. Insbesondere berechnet das Fehlermodul 222 einen zweiten Fehler zwischen dem Ausgang des Verstärkungsmoduls 220 und einem Ausgang des HPF-Verstärkungsmoduls 228. Das Summiermodul 224 berechnet eine Summe aus dem zweiten Fehler und einen zweiten Korrekturfaktor. Das Laufzeitmodul 226 führt eine Verzögerung von einer Zeitspanne Ts in die Summe ein, um den zweiten Korrekturfaktor zu erzeugen. Das HPF-Verstärkungsmodul 228 wendet eine HPF-Verstärkung an. Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das HPF-Modul 221 (oder ein ähnliches HPF), obwohl es im Optimalwert-Erzeugungsmodul 54 gemäß dem zweiten Optimalwertverfahren implementiert ist, auch in dem ersten und/oder dritten Optimalwertverfahren zum Entfernen eines DC-Fehlers/Versatzes implementiert werden.
Das Quadrierungsmodul 230 berechnet ein Quadrat des zweiten Fehlers. Nur als Beispiel kann das Quadrierungsmodul 230 ein Produkt aus dem zweiten Fehler und einem Absolutwert des zweiten Fehlers berechnen. Das Verstärkungsmodul 232 wendet eine Verstärkung auf den Ausgang des Quadrierungsmoduls 230 an. Das Absolutwertmodul 234 berechnet einen Absolutwert des Ausgangs des Verstärkungsmoduls 232. Das Schaltmodul 236 erzeugt das LCFF-Signal, indem es entweder den Ausgang des Verstärkungsmoduls 232 oder dessen Absolutwert, der von dem Absolutwertmodul 234 ausgegeben wird, wählt. Nur als Beispiel kann das Schaltmodul 236 den Ausgang des Verstärkungsmoduls 232 wählen, wenn der Ausgang des Verstärkungsmoduls 232 größer als ein vorbestimmter Wert ist, und es kann andernfalls den Ausgang des Absolutwertmoduls 234 wählen.
Mit Bezug nun auf 4B beginnt das zweite Optimalwertverfahren bei 250. Bei 250 misst das Steuermodul 20 den Laststrom I_LOAD und den Induktivitätenstrom I_IND . Bei 252 berechnet das Steuermodul 20 einen ersten Fehler zwischen dem Induktivitätenstrom I_IND und dem normierten Strom I_N . Bei 254 wendet das Steuermodul 20 eine Verstärkung auf den ersten Fehler an. Bei 256 berechnet das Steuermodul 20 eine Summe aus dem ersten modifizierten Fehler und einen ersten Korrekturfaktor (CF₁ ). Bei 258 begrenzt das Steuermodul 20 die Summe auf einen vorbestimmten Bereich (d. h. Sättigungsgrenzen). Bei 260 führt das Steuermodul 20 eine Verzögerung von einer Zeitspanne Ts in die begrenzte Summe ein, um den ersten Korrekturfaktor CF₁ zu erzeugen. Bei 262 erzeugt das Steuermodul 20 den normierten Strom IN auf der Grundlage eines Produkts aus dem ersten Korrekturfaktor CF₁ und dem Laststrom I_LOAD . Die Steuerung kann dann zu 264 weitergehen. Obwohl ein Zyklus gezeigt ist, kann die Steuerung jedoch zu 252 zurückkehren und erneut durchlaufen, bis die Verstärkung des Laststroms I_LOAD mit der Verstärkung des Induktivitätenstroms I_IND abgeglichen ist.
Bei 264 wendet das Steuermodul 20 eine Verstärkung auf den ersten Fehler zwischen dem Induktivitätenstrom I_IND und dem normierten Strom IN (siehe 252) an. Bei 266 berechnet das Steuermodul 20 einen zweiten Fehler zwischen dem zweiten modifizierten Fehler und einem HPF-Korrekturfaktor (CF_HPF ). Bei 268 berechnet das Steuermodul 20 eine Summe aus dem zweiten Fehler und einem zweiten Korrekturfaktor (CF₂ ). Bei 270 führt das Steuermodul 20 eine Verzögerung von einer Zeitspanne Ts in die Summe ein, um den zweiten Korrekturfaktor CF₂ zu erzeugen. Bei 272 erzeugt das Steuermodul 20 den HPF-Korrekturfaktor CF_HPF , indem es eine HPF-Verstärkung auf den zweiten Korrekturfaktor CF₂ anwendet.
Bei 274 quadriert das Steuermodul 20 den zweiten Fehler. Bei 276 wendet das Steuermodul 20 eine Verstärkung auf den quadrierten Fehler an. Bei 278 berechnet das Steuermodul 20 einen Absolutwert des Produkts aus der Verstärkung und dem quadrierten Fehler. Bei 280 bestimmt das Steuermodul 20, ob das Produkt größer als ein vorbestimmter Wert ist. Wenn dies zutrifft, kann die Steuerung zu 282 weitergehen. Wenn nicht, kann die Steuerung zu 284 weitergehen. Bei 282 kann das Steuermodul 20 das LCFF-Signal auf der Grundlage des Produkts erzeugen und die Steuerung kann zu 286 weitergehen. Bei 284 kann das Steuermodul 20 das LCFF-Signal auf der Grundlage des Absolutwerts des Produkts erzeugen und die Steuerung kann zu 286 weitergehen. Bei 286 kann das Steuermodul 20 das Tastverhältnis für das Schaltmodul 12 auf der Grundlage einer Summe aus einem Basistastverhältnis (beruhend auf dem Spannungsbefehl V_CMD ) und dem LCFF-Signal erzeugen. Die Steuerung kann dann enden.
Mit Bezug nun auf 4C ist eine graphische Darstellung gezeigt, die simulierte Ergebnisse des zweiten Optimalwertverfahrens im Vergleich zu einer herkömmlichen Tastverhältnissteuerung darstellt. Wie gezeigt ist, verbesserte die Optimalwertsteuerung des Laststroms I_LOAD die Antwort und verringerte einen Abfall bei der Ausgangsspannung V_OUT . Eine Region 290 bezeichnet die Optimalwertsteuerung. Insbesondere wird das LCFF-Signal zu dem Basistastverhältnis addiert, was eine Erhöhung des Tastverhältnisses im Vergleich mit der herkömmlichen Tastverhältnissteuerung bewirkt. Eine Region 292 bezeichnet die verbesserte Sprungantwort des Induktivitätenstroms I_IND . Insbesondere nimmt der Induktivitätenstrom I_IND einen PWM-Zyklus früher als die herkömmliche Tastverhältnissteuerung zu. Schließlich bezeichnet eine Region 294 den verringerten Abfall bei der Ausgangsspannung V_OUT . Insbesondere wird der Abfall bei der Ausgangsspannung V_OUT um etwa 1,0 - 1,5% verringert.
Mit Bezug nun auf 5A ist ein Beispiel eines dritten LCFF-Moduls 74 gemäß dem dritten Optimalwertverfahren gezeigt. Das dritte LCFF-Modul 74 kann das LCFF-Signal auf der Grundlage eines Produkts aus dem Induktivitätenstrom I_IND und einer Differenz zwischen dem Laststrom I_LOAD und dem Induktivitätenstrom I_IND erzeugen (d. h. I_IND * [ILOAD - I_IND ]). Das dritte LCFF-Modul 74 kann auch eine Stromnormierung gemäß der vorliegenden Offenbarung durchführen. Insbesondere kann das dritte LCFF-Modul 74 ein Multiplikationsmodul 300, ein Vorzeichenmodul 302, ein Verstärkungsmodul 304, ein Summiermodul 306, ein Laufzeitmodul 308, ein Multiplikationsmodul 310, ein Fehlermodul 320, ein Multiplikationsmodul 322 und ein Verstärkungsmodul 324 enthalten.
Das Multiplikationsmodul 300 berechnet ein Produkt aus dem Laststrom I_LOAD und einem Fehler zwischen dem Induktivitätenstrom I_IND und dem normierten Strom IN (als Rückkopplung aus dem dritten LCFF-Modul 74 empfangen). Das Vorzeichenmodul 302 schaltet ein Vorzeichen des Produkts um. Das Verstärkungsmodul 304 wendet eine Verstärkung auf das vorzeichenbehaftete Produkt an. Das Summiermodul 306 berechnet eine Summe aus dem Ausgang des Verstärkungsmoduls 304 und einem Korrekturfaktor. Das Laufzeitmodul 308 führt eine Verzögerung von einer Zeitspanne Ts in die Summe ein, um den Korrekturfaktor zu erzeugen. Das Multiplikationsmodul 310 erzeugt den normierten Strom IN auf der Grundlage eines Produkts aus dem Induktivitätenstrom I_IND und dem Korrekturfaktor. Das Fehlermodul 320 berechnet den Fehler zwischen dem Induktivitätenstrom I_IND und dem normierten Strom I_N . Das Multiplikationsmodul 322 berechnet ein Produkt aus dem Fehler und dem normierten Strom I_N . Das Verstärkungsmodul 324 erzeugt das LCFF-Signal, indem es eine Verstärkung auf das Produkt anwendet.
Mit Bezug nun auf 5B beginnt das dritte Optimalwertverfahren bei 350. Bei 350 misst das Steuermodul 20 den Laststrom D_LOAD und den Induktivitätenstrom I_IND . Bei 352 berechnet das Steuermodul 20 ein Produkt aus dem Laststrom I_LOAD und einem Fehler zwischen dem Induktivitätenstrom I_IND und dem normierten Strom I_N . Bei 354 schaltet das Steuermodul 20 ein Vorzeichen des Produkts um. Bei 356 wendet das Steuermodul 20 eine Verstärkung auf das vorzeichenbehaftete Produkt an. Bei 358 berechnet das Steuermodul 20 eine Summe aus dem modifizierten Produkt und einem Korrekturfaktor (CF). Bei 360 führt das Steuermodul 20 eine Verzögerung von einer Zeitspanne Ts in die Summe ein, um den Korrekturfaktor CF zu erzeugen. Bei 362 berechnet das Steuermodul 20 ein Produkt aus dem Induktivitätenstrom I_IND und dem Korrekturfaktor CF. Die Steuerung kann dann zu 364 weitergehen. Obwohl ein Zyklus gezeigt ist, kann die Steuerung jedoch zu 352 zurückkehren und erneut ablaufen, bis die Verstärkung des Laststroms I_LOAD mit der Verstärkung des Induktivitätenstroms I_IND abgeglichen ist.
Bei 364 berechnet das Steuermodul 20 den Fehler zwischen dem Induktivitätenstrom I_IND und dem normierten Strom IN (siehe 352). Bei 366 berechnet das Steuermodul 20 ein Produkt aus dem Fehler und dem normierten Strom I_N . Bei 368 erzeugt das Steuermodul 20 das LCFF-Signal, indem es eine Verstärkung auf das Produkt anwendet. Bei 370 erzeugt das Steuermodul 20 das Tastverhältnis für das Schaltmodul 12 auf der Grundlage einer Summe aus einem Basistastverhältnis (beruhend auf dem Spannungsbefehl V_CMD ) und dem LCFF-Signal. Die Steuerung kann dann enden.
Mit Bezug nun auf 6 ist eine graphische Darstellung gezeigt, die simulierte Ergebnisse des Implementierens einer Optimalwertsteuerung des Laststroms in einem DC/DC-Abwärtsumsetzer darstellt, während auch Rückkopplungsverstärkungen verringert werden. Insbesondere stellt die graphische Darstellung eine Laststromsteuerung mit und ohne LCFF gemäß der vorliegenden Offenbarung dar, während Rückkopplungsverstärkungen um etwa 70% verringert werden. Wie gezeigt, erhöht die Optimalwertsteuerung des Laststroms gemäß der vorliegenden Offenbarung die Robustheit des Steuersystems. Mit anderen Worten weist die Kurve, die so bezeichnet ist, dass sie die LCFF-Steuerung implementiert hat, einen geringeren Ausgangsspannungsfehler und eine insgesamt glattere Antwort auf. Diese graphische Darstellung darf jedoch nur zur Darstellung der Robustheit der Systeme und Verfahren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
Die weit gefassten Lehren der Offenbarung können in einer Vielfalt von Formen implementiert werden. Obwohl diese Offenbarung spezielle Beispiele umfasst, soll daher der tatsächliche Umfang der Offenbarung nicht darauf beschränkt sein, da sich dem Fachmann bei einem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und der folgenden Ansprüche weitere Modifikationen offenbaren werden.

Claims

Optimalwert-Steuersystem für einen Laststrom in einem Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer (DC/DC-Umsetzer) (10), wobei das Optimalwert-Steuersystem umfasst: ein Stromnormierungsmodul (50), das einen normierten Laststrom erzeugt, indem eine Verstärkung eines gemessenen Laststroms mit einer Verstärkung eines Induktivitätenstroms abgeglichen wird; ein Optimalwert-Erzeugungsmodul (54), das ein Laststromoptimalwertsignal (LCFF-Signal) auf der Grundlage des normierten Laststroms erzeugt; und ein Tastverhältnis-Erzeugungsmodul (58), das ein Tastverhältnis für den DC/DC-Umsetzer (10) auf der Grundlage einer befohlenen Ausgangsspannung und des LCFF-Signals erzeugt.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Optimalwert-Erzeugungsmodul (54) das LCFF-Signal auf der Grundlage eines Quadrats eines Fehlers zwischen dem normierten Laststrom und dem Induktivitätenstrom erzeugt.
Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Optimalwert-Erzeugungsmodul (54) das LCFF-Signal auf der Grundlage eines Produkts aus dem Induktivitätenstrom und einer Differenz zwischen dem normierten Laststrom und dem Induktivitätenstrom erzeugt.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Tastverhältnis-Erzeugungsmodul (58) ein Basistastverhältnis auf der Grundlage der befohlenen Ausgangsspannung bestimmt.
Steuersystem nach Anspruch 4, wobei das Tastverhältnis-Erzeugungsmodul (58) das Tastverhältnis auf der Grundlage einer Summe aus dem Basistastverhältnis und dem LCFF-Signal erzeugt.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gemessene Laststrom unter Verwendung einer Leiterbahn einer Leiterplatte (PCB) gemessen wird.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Induktivitätenstrom unter Verwendung eines Gleichstromwiderstandswertmoduls (DCR-Moduls) (18) gemessen wird, das eine DCR-Stromerfassung durchführt.
Steuersystem nach Anspruch 7, wobei das DCR-Modul (18) eine Widerstands-Kondensator-Schaltung (RC-Schaltung) umfasst, die über eine Induktivität (14) des DC/DC-Umsetzers (10) parallel geschaltet ist.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stromnormierungsmodul (50) ein Filter der kleinsten mittleren Quadrate (LMS-Filter) enthält.
Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Stromnormierungsmodul (50) ein Hochpassfilter (HPF) zum Entfernen eines DC-Versatzes enthält.