TW201131958A - Method for the closed-loop control of a buck converter and arrangement for implementing the method - Google Patents

Description

201131958 六、發明說明： 一本^係—_壓轉髓輕方法，這種方法是經由 一具有-脈衝頻率及經脈波寬度調變的 ，通，其中該電感與一負載串聯並透過該負二$ 壓降，’ u針對輸人電_整細電_大小。執行此方 法時是以取樣頻率掃描輸出電壓，並將輸出電壓的值數位 化，以調整脈波寬度。 叛祖 本發明還包括一種調整降壓轉換器的裝置，其中該 轉換器具有-控制輸人端及—電壓輸㈣，其中該控制 =入端供具有脈衝解之經過脈波寬度觀的脈衝串使 調2種裝置具有―調整輸人端及—控制輪出端，其中該 =^入端可以和降顯換器之電雜出端連接，該控制 :=Γ壓轉換器的控制輸入端連接。在調整輸入 =控=出端之間設有一類比·數位轉換器、一非線性放 位攄波器、以及一脈波寬度調變開關。此外 ，、有-決定脈衝辭翁___節拍發生器。 利用-種已知叫壓轉換器可以從—輸人電壓產生一 壓的ί出電壓。輸出電壓的大小始終會小於輸入電 . k種降壓轉換器是透過接通及切斷至少-個開 關來調整輸出電壓的大小。 種已知之降壓轉換器具有兩個交替接通的開關電晶 /這兩個電晶體的源-沒段位於輸入電壓及接地之間的電 ===並連接—電感’該電感與—負載電阻串聯並 〜、阻使輪出電麗降低。該負載電阻與一電容並 201131958

…t二電晶體的接通期間，也就是在位於輪入電壓侧 =電晶體的接通_ ’ —負載電流會流過電感，並通過 二ΓΓ Γ第二電晶體被阻斷。在第一電晶體被切斷 期間’第-電晶體被接通。此時儲存在電感内的能量會降 低。電流繼續流過耗fit具，也就是流過第二電晶體，然 後從電容流出。 透過改變電晶體的接通及切斷時間，可以調整輸出電 壓，以及透過這段時間受輪出電壓本身影響_整來調整 輸出電壓。已知這種調整是經由控制脈衝的脈波寬度調變 (PWM)在電晶體的控制極上進行。 例如Analog Device Inc.生產的ADP 1872是一種已知 的降壓轉換器調整裝置。 這種調整方式的一種數位解決方案(數位控制回路)是 對輸出電壓進行類比-數位轉換。這種解決方案是以一取樣 頻率掃描輸出電壓的數位化電壓值，並經由一非線性放大 及一 IIR濾波器(無限脈衝響應濾波器)的過濾，然後被導入 脈波寬度調變控制，以便在兩個電晶體上調整控制極的脈 波寬度。由於共同應用相同的脈衝基，類比_數位轉換的取 樣頻率和控制極脈衝的脈衝頻率是一樣的。換句話說就 是’如果控制極脈衝之順序的週期時間(工作週期;I的接通長 度被調變(這代表脈波寬度調變），則會等於類比-數位轉換 器的兩個取樣之間的時間(取樣週期）。這使得脈波寬度只有 在工作週期開始的時候可以被調整。 201131958 對於在工作週期内輸出電壓發生明顯變化的快速 變化(負載瞬變），而言脈波寬度調變無法對這個負載瞬變作 出反應’也就是說要在下—個工作週期經由下—個取樣才 食b作出反應。其後果是慣性很大及調整過度。 本發明的目的是提出—種方法及裝置，此種方法及裝 置能夠很快的對負載瞬變作出反應，因而使_轉換器^ 以更快的調整輸出電壓，而且過調整的幅度也變得較^。 ^達到上述目的，本發明提出的方法是將取樣頻率調 整為高於脈衝解，以及在脈衝㈣功週_調整脈衝 串的脈波寬度。透驗高的取樣解，在脈衝串的工作周 率期間(也就是脈衝之間)健能細定目貞細變很大造 成的輸出電壓眺速變化，_脈歧度也_在脈衝之 間與實際的電㈣化(在貞鱗魏靖，變轉常快速的 電壓)適配。這樣就可以很快的進行調整，並完全 幅降低過調整的程度。 -種有利的方式是，取樣解是脈衝頻_ 2至· 倍。經實驗證實’當轉鮮是脈衝辭的π倍時可以獲 得很好的結果。 、_以高於脈衝頻率的取樣頻率(這種情況稱為過度取樣） 進行掃描會產生許多可能造成調整過程受擾動的值。因此 ，出電壓在穩定狀態下也會出現“如波紋起伏，，的現象，這 =因為不停的接通電晶體的關係。由於掃描比例很高的關 係’正常的電壓變化也可能被測定為膽誤差，導致調整 器作出反應。為了避免調整行為出現這種擾動，一種有利 201131958 的方是經由濾波過程對伴隨取樣頻率產生的數位訊號進行 數位消除，以便將配屬於相當於取樣頻率之整數倍的取樣 頻率的取樣值濾、除。這個過程最好是以—種已知二移動平 均濾波器(Moving-Average-Filter)來進行。移動平均濾波器 在取樣頻率的整數倍具有多個濾波最大值。 根據本發明之方法的一種實施方式，移動平均滤波器 的消除率是可程式化的，因此可以透過所設定的消除率濾 除數位值。 ’ 另外-種可能性是，在貞絲本上保持不變的期間(也 就是第一瞬變期間)以第一消除率進行濾除，以及在負載變 換期間(也就是在高於第一瞬變的第二瞬變期間)以第二消 除率進㈣除，其中第二消除率小於第—消除率。在^ 電壓的快速變化期間測得的許多作為調整量的數位值是很 有價值的’因為這些數位值可以絲測定電壓的快速變 化。基於這_因’柄之方法的這種實施方式可以減少 值的消除’這樣就可以獲得更多可供使㈣織量的值。 為達到本發明的目的，本發明提出的裝置在類比_數位 轉換器及雜性放大^之間設有—移動平均濾波器。此外 還設有-取樣頻率-節拍發生器，其中該取樣頻率-節拍發生 器被調整為取樣鮮高於脈衝醉。類比·數位轉換器、移 動平均濾波器、非線性放大器、以及IIR遽波器均受到此取 樣頻率的_。取樣鮮·節拍發生器與脈歧度調變電路 連接同時脈波寬度調變電路是連續的，也就是說即使是 在脈衝工作週期内脈衝寬度也是可以控制的。由於類比-數 201131958 進行再調整 位轉換器是贿切轉(過度顿)鮮_，因此即 f控制電晶體之脈衝㈣工作週_也麟提供調整量誤 差的值，也狀輸出的值或輸出縣與—額定值之間 的差異值。這樣即使是在工作周率綱，脈波寬度也可以 與輸出電壓的變化適配，尤其是在瞬變很大時，可以快速 根，本發明之裝置的—種有利的實施方式，移動平均 濾波器是由具林_可程式_率的兩個雜平均滤波 器或兩個紐路賴構成。濾波ϋ可啸據機誤差的變 化速度在兩種消除率之間切換。這魏可以在瞬變很高時 提供大量的調整誤差的掃描值。 如第1圖所示，在降壓轉換器丨内設有兩個交替接通 的開關電晶體2及3。這兩個電晶體2及3的源·沒段位於 輸入電壓1及接地之間的電流路徑，其間並連接一電感 4 ’該電感4與-負載電阻5串聯並透過該負載電阻5使輸 出電壓UN降低。負載電阻5與一電容6並聯 在第-電晶體2的接通期間，也就是在位於輸入電壓 侧上的電晶體的接通期間，—負載電流會流過電感4 ,並通 過負載電阻5。此時第一電晶體3被阻斷。在第一電晶體2 被切斷期間，第二電晶體3被接通。此時儲存在電感4内 的能量會降低。電流繼續流過耗電器具5,也就是流過第二 電晶體3，然後從電容6流出。 透過改變電晶體2及3的接通及切斷時間，可以調整 輪出電壓，以聽過這段時間受輸出電私身影響的調整 201131958 來调整輸出電壓。已知這種調整是經由控制脈衝的脈波寬 度調變(PWM)在電晶體2及3的控制極上進行。 對電晶體2及3的控制是透過一降壓控制器7來進行， 降壓控制H 7受節拍發生n 8的控制，同時作為調整量的 輸出電麗Vfbp-Vfbn會被送回節拍發生器8。 如第2圖所示’輸出電壓νρΒρ·ν刚會施加於第一放大 器9’其中第一放大器9的出口位於一差頻訊號放大器1〇 上。由數位-類比轉換器U從未在第2圖中詳給繪出之數位 源提供的額定電壓值亦作用於該處。 因此類比形式的罐誤差會歧在差観號放大器1〇 的輸出端。該調整誤差會經由一類比_數位轉換 12被取 樣。按照先前技術，這個過程是以和脈衝串控制電晶體2 及3的頻率相同的頻率進行。 接著在類比-數位轉換器12之出口端的調整誤差的數 位值會經由-非線性放大器13及一 IIR遽波器被導入一脈 波寬度調變電路15。賊由脈波寬度調變電路㈣整脈衝 串的脈波寬度，以控制電晶體2及3。 從第4圖可以看出，如第仙)圖的調签 因為在負載電阻5處發生_顯的負錢 =2 =以相_解析度可以《脈波寬度的大小，如第

所不。 J 從第4d)圖可以看出’這會導致在降壓轉換器1的出口 ^明顯的過調整，以及在第切的瞬變上出現一可見到 201131958 第3圖顯示本發明提出的解決方案。第3圖中與 圖式(先前技術)使用相同之元件符號的元件 他 術相同的元件。 、无前技 根據第3圖，本發明之裝置具有—取樣·節 16 ’和節拍發生器8 一樣，取樣_節拍發生^ %是以 節拍控制類比·數位轉換H 12及所有位於其後 = 過度取樣產生之調整量的解決度會遠高於如第％^種 的解析度。因此類比-數位轉換器12在脈衝串的一個= 期内可以取樣得到n倍的調整量’以。 ^在每w仏作週_獲得32倍_=雜= 取樣率η是可程式的。 嘴度 在類比-數位轉換器12之後有設置移動平均遽 。平均遽波H 1?内有兩個(未詳細繪出的)移齡 職，鱗機平_鱗_耻率奸財的。 種典型的倾是透顯式設枝其巾—個勸平均慮皮 ===度取樣率’另外，波路徑的消除 ===:之…較高的消除率會使取樣 這播替^ 帶寬限制。基於這個原因， ^種訊毅在敎耗工作料_被彻 邊所示，时除可能造㈣音輸化合触，尤第5；)^ 出訊號出現“波紋，，期間。 、疋在輸 如第的驗路徑是在負載發生變鱗被利用， 較大的=邊所不。這觀除料取樣_調整量提供一 較大的帶寬，獅軸細可以_速的反應。 201131958 在移動平均濾波器17 是否有超出一下限值，並; 内也可以測得調整量之變化速度 並根據測得的結果(是否超出或低於 本發明之裝置具有一可連續適配 因此在工作週期内也可以調整脈 從第3圖可以看出， 的脈波寬度調變電路18， 衝串的脈寬。 從第5圖(尤其是第5d)圖)可以看出， ，當造成很大瞬變 的負載變化發錢’本發_衫_整速度非常快 且過調整的程度很低。 用於各種不同的應用目的。 【圖式簡單說明】 尤其疋參數的可程式性使本發明的裝置很容易就可以 以下配合實_及圖式對本發明_容做進—步的說

器用的裝置(降壓控制器）。 第2圖：先前技術之降壓轉換器的構造。 第3圖：本發明之降轉換ϋ的構造。 第4圖：先前技術之降_換器的訊號變化 a) 輸出電壓Vfb及其額定值(平滑的實線）。 b) 調整誤差’也就是輸出電壓VFB在通過類 比-數位轉換器之與其額定值之間的差異。 c) 經計算及調整的脈波寬度。 d) 額定負裁電流(直線），輸出電流(鑛齒線） 11 201131958 及經脈寬調變的脈衝串PMWh。 第5圖：本發明之裝置(降壓控制器）的訊號變化 a) 輸出電壓VFB及其額定值(平滑的實線）。 b) 調整誤差，也就是輸出電壓VFB在通過類 比-數位轉換器之與其額定值之間的差異。 c) 經計算及調整的脈波寬度。 d) 額定負載電流(直線），輸出電流(鑛齒線） 及經脈寬調變的脈衝串PMWH。 【主要元件符號說明】 1 降壓轉換器 2 第一電晶體 3 第二電晶體 4 電感 5 負載電阻 6 電容 7 降壓控制器 8 節拍發生器 9 第一放大器 10 差頻訊號放大器 11 數位-數位轉換器 12 類比-數位轉換器 13 非線性放大器 14、IIR 無限脈衝響應濾波器 15 脈波寬度調變電路 12 16201131958 17 18 取樣-節拍發生器 移動平均遽波器 可連續適配的脈寬調變電路 13

Claims (1)

1. 201131958 七、申請專利範圍： 1. 一種降壓轉換器調整方法，其係經由—具有—脈衝頻率 及經脈波寬度調變的脈衝串控制一電感的接通，其中 該電感與一負載串聯並透過該負載使輸出電壓降低， 以針對輸入電壓調整輸出電壓的大小， 率掃描輸出電壓，並將輸出電壓的值數位化，以$ 脈波寬度，此種方法之特徵為：將取樣頻率調整為高 於脈衝頻率，以及在脈衝串的工作週期内調整脈衝串 的脈波寬度。 2. 如申請專利範圍第！項的方法，其特徵為：取樣頻率是 脈衝頻率的2至1〇〇倍。 3. 如申請專利細第2項的方法，其特徵為：取樣頻 脈衝頻率的32倍。 《如申請專利細第丨項至第3項枝—項的方法其特 徵為：經由遽波it程對伴隨取樣頻率產生的數位訊號 進行數位齡，以㈣配屬於相當於取_率之整數 倍的取樣頻率的取樣值濾除。 5. 如申請專利範圍第4項的方法，其特徵為：以移動平均 濾波器進行數位消除，其中該移動平均濾波器在取樣 頻率的整數倍具有多個滤波最大值。 6. 如申請補朗第4項絲5 _方法，麟徵為 過可程式化的消除率濾除數位值。 7. 如申4專利朗第6項的方法，其特徵為··在基 上保持不變的期間，也就是第一瞬變期間，以第二消 201131958 除率進行絲，以及在貞錢換_，也就是在高於 第-瞬變的第二瞬變期間，以第二消除率進行滤除， 其中第二消除率小於第一消除率。 8. 一種調整降壓轉換器的裝置，其中該降壓轉換器具有-控制輸入端及-電壓輸出端，其中該控制輸入端供具 有脈衝頻率之經過脈波寬度調變的脈衝串使用，此種 裝置具有-調整輸人端及—控制輸出端，其中該調整 輸入端可以和降壓轉換器之電壓輸出端連接，該控制 輸出端可以和降壓轉換器的控制輸入端連接，在調整 輸入端及控機出端之間設有一類比.數位㈣器、一 非線性放大器、- iir數位濾波器、以及一脈波寬度調 變開關’此外還具有-決定脈衝鮮的脈衝頻率-節拍 發生器，此種裝置之特㈣^在類比.數轉換器及非 線性放大器之間設有-移動平均濾、波器，此外還設有 -取樣鮮被調整為高於脈衝頻率之取樣頻率·節拍發 生器’其中類比-數位轉換器、移動平均濾波器、非線 性放大器、以及IIR濾波器均受到此取樣頻率的控制， 取樣頻率·節紐生脈波寬度機電路連接，^時 脈波寬度調變電路是連續的，也就是說即使是在脈衝 工作週期内脈衝寬度也是可以控制的。 9.如申請專利範㈣8項置，其特徵為：移動平均遽 波器是由兩個具有不同的可程式消除率的移' 波器所構成。 句4 15