TWI532303B - 脈波寬度調變控制器及由脈波寬度調變控制器執行的方法 - Google Patents

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Description

脈波寬度調變控制器及由脈波寬度調變控制器執行的方法
此處揭示的各式各樣的舉例說明的實施例大致上關於脈波寬度調變(PWM)直流對直流電源控制器。
脈波寬度調變(PWM)可以用以控制各式各樣的電路及系統。舉例而言，PWM可以用以控制直流對直流轉換器、電動馬達、照明系統、音頻放大器、等等。下述將以直流對直流電源器的環境，說明PWM控制器的實施例，但是，PWM控制器實施例也可以用以控制各式各樣其它的系統。
直流對直流電源器的PWM控制要求PWM開/關週期的非常精準調整以在輸出直流電軌上取得要求的漣波。以往的解決之道僅在類比領域中取得此精準程度。
圖1顯示根據先前技術之簡單的直流對直流電源器。直流對直流電源器100包含運算放大器110、比較器120、斜波產生器130、及升壓轉換器140。升壓轉換器包含電感器142、切換電晶體144、二極體146、及電容器 148。輸入電壓Vin施加至連接至電晶體開關144之電感器142，電晶體開關144以指定的工作循環開及關。結果是根據工作循環之與Vin成比例的輸出電壓Vout。因此，隨著開關140的工作循環變化，可以取得用於Vout之不同值。升壓轉換器僅是很多不同的切換設計中之一，其中，PWM輸入訊號驅動取決於PWM輸入訊號的工作循環之輸出電壓。運算放大器110、比較器120、及斜波產生器130作為脈波寬度調變器。
直流對直流電源器之操作係藉由使用運算放大器110而回饋輸出電壓取樣及自參考電壓減掉此電壓以建立小誤差訊號(VERROR)。使用比較器120，比較此誤差訊號與振盪器斜波訊號，第二比較器120輸出數位輸出(PWM)，數位輸出(PWM)會操作電力開關。當電路輸出電壓改變時，VERROR也改變及促使比較器臨界值改變。結果，輸出脈衝寬度也改變。此工作循環改變接著移動輸出電壓以將誤差訊號降至零，如此完成控制迴路。
此方法允許類比控制，所述類比控制取得對PWM訊號非常精細的顆粒性調整。其它先前技術系統使用延遲線以取得要求的PWM顆粒性。
這些及其它先前解決之道無法支援非常大數目的PWM控制器之規模。此外，先前技術要求特別的電路以控制PWM。這限制以給定設計實現的實例之數目。
於下呈現各式各樣舉例說明的實施例之簡要概述。在下述中會有某些簡化及省略，以企圖突顯及介紹各式各樣舉例說明的實施例之某些態樣，但不是要限定發明的範圍。在後續章節之較佳舉例說明的實施例之詳細說明適當地允許習於此技藝者製作及使用發明的概念。
各式各樣舉例說明的實施例關於由脈波寬度調變(PWM)控制器執行的方法，方法包含：接收包括PWM參數的控制輸入；產生對數位串聯器的輸入，其中，輸入造成數位串聯器輸出，所述數位串聯器輸出是根據PWM參數而被脈衝寬度調變；接收回饋控制輸入；以及，根據回饋控制輸入，修改對數位串聯器的輸入。
各式各樣舉例說明的實施例關於由包含數位串聯器之脈波寬度調變(PWM)控制器執行的方法，方法包括：接收包含PWM參數的控制輸入；根據PWM參數以決定N及M，其中，N是開啟離散時間週期的數目，M是關閉離散時間週期的數目；產生對應於N個開啟離散時間週期及M個關閉週期離散時間週期之複數數位串聯器輸入資料字；以及，施加複數數位串聯器輸入資料字至數位串聯器，以產生PWM訊號。
各式各樣舉例說明的實施例關於脈波寬度調變(PWM)控制器，包含：數位串聯器，配置成接收平行輸入資料串及根據輸入的平行資料串而產生輸出串列資料；以及，迴路控制器，包含連接至數位串聯器的輸出端及配置成接收回饋控制輸入的輸入端，其中，迴路控制器配置 成根據回饋控制輸入而輸出平行輸入資料串給數位串聯器，其中，來自數位串聯器的輸出串列資料串具有所需的PWM參數。
200‧‧‧脈波寬度調變控制器
210‧‧‧時脈產生區
220‧‧‧配置參數記憶體
230‧‧‧N通道區
250‧‧‧直流對直流轉換器
260‧‧‧類比對數位轉換器
300‧‧‧通道區
310‧‧‧脈波寬度調變產生器
320‧‧‧數位串聯器
330‧‧‧類比對數位介面
340‧‧‧數位迴路補償器
350‧‧‧電流保護區
360‧‧‧迴路控制器
400‧‧‧直流對直流轉換器電路
405‧‧‧開關
410‧‧‧類比對數位轉換器
420‧‧‧類比對數位轉換器
為了更佳瞭解各式各樣舉例說明的實施例，可參考附圖，其中：圖1顯示根據先前技術之簡單的直流對直流電源器；圖2顯示驅動多個直流對直流轉換器之多通道PWM控制器；圖3顯示通道區的實施例之方塊圖；以及圖4顯示直流對直流轉換器電路以及回饋類比對數位轉換器的另一實施例；圖5顯示自數位串聯器輸出的實例；圖6顯示當PWM關閉週期被調整時來自數位串聯器的輸出之實例；以及圖7顯示表格，說明如何改變PWM開啟及PWM關閉時間以取得所需的工作循環。
為了便於瞭解，使用相同的代號以代表具有實質相同或類似結構及/或實質相同或類似功能的元件。
下述是數位直流對直流(DC-DC)電源控制器的實施例。本實施例呈現驅動直流對直流電源級場效電晶體 (FET)之脈衝寬度調變(PWM)訊號的獨特控制方法。下述PWM控制器也用於使用PWM控制器的其它系統，舉例而言，馬達控制、照明控制、音頻放大器、等等。
下述PWM控制器的實施例可以以數位形式實施，允許彈性的設計擴充及參數使用以取得各式各樣的設計及性能特徵。在類比離散解決之道中此設計變化通常要求組件值改變及硬體修改。下述的PWM控制器因而克服類比PWM控制器的限制。
由於最近的浮點閘陣列(FPGA)技術，現在可以取得1Gb/秒以上、以及超過250MHz之時脈速率的輸入/輸出(I/O)運行。相對於以前純粹以類比設計所能達成的，使用數位設計技術，在此FPGA中使用數位串聯器使得PWM訊號中的顆粒性能夠取得即非更佳但也是相等的頻率響應及DC-DC轉換器電軌上的低漣波。
圖2顯示驅動多個直流對直流(DC-DC)轉換器之多通道PWM控制器。PWM控制器200包含時脈產生區210、配置參數記憶體220、N通道區230n、及問題區240。N通道區230中的各通道區具有對應的DC-DC轉換器電路250n以及回饋A/D轉換器260n。
PWM控制器200可為如上所述的FPGA。此FPGA包含數位串聯器硬體，數位串聯器硬體取得平行輸入資料串以及輸出串列資料串。SERDES是在數位晶片上經常看到之此數位串聯器技術的實例。
時脈產生區210接收時脈訊號CLK IN以及產生及散 佈時脈訊號以用於PWM控制器200中。時脈訊號CLK IN可由時脈產生區210放大或縮小以產生用於PWM控制器200中的時脈訊號。
配置參數記憶體220可以儲存用以配置通道區之配置資料。此配置資料包含用於各通道之工作循環、脈衝重複頻率、及/或脈衝寬度資訊。此外，參數包含數位濾波器權重，用於實施提供用於DC-DC轉換器之回饋迴路的數位回饋濾波器。DC-DC轉換器的使用者或設計者可以將各種參數輸入以實施特定需求的PWM控制器200特徵以及DC-DC轉換器特徵。以允許參數輸入及系統性能模型化之軟體工具，可達成此點。此工具包含試算表或其它產生參數資料以被載入至配置參數記憶體220中之應用。使用任何型式的依電性或非依電性記憶體，實施配置參數記憶體220。
包含問題區240，以偵測不同通道區230之問題以及記錄這些問題有關的資料。這些問題包含停電、故障、過電壓或電壓不足條件、等等。此資訊可由DC-DC轉換器供電的系統之使用者或某其它系統管理者讀取。問題資訊允許使用者或系統管理者採取任何所需的校正動作。
通道區230從時脈產生區210接收時脈訊號以及從配置參數記憶體220讀取參數資料，以及產生脈波寬度調變訊號。使用在PWM功率控制器200上見到的數位串聯器，實施通道區230。於下將更詳細地說明通道區230。
DC-DC轉換器電路250從通道區230接收PWM控制 訊號。如上所述，DC-DC轉換器將具有輸入的DC電壓之第一電壓位準轉換成輸出DC電壓的第二電壓位準。第二電壓位準隨著PWM控制訊號的工作循環之作用而變。
類比對數位轉換器260取樣輸出電壓及將電壓位準轉換成數位值，所述數位值接著回饋至通道區230。數位值可用以開關控制回饋迴路，控制回饋迴路根據PWM控制訊號的工作循環而將輸出電壓值鎖至所需值。
圖3顯示通道區的實施例之方塊圖。通道區300包含PWM產生器310、數位串聯器320、類比對數位介面330、數位迴路補償器340、電流保護區350、及迴路控制器360。
數位串聯器320接受平行資料字及輸出串列資料串。所以，舉例而言，假使對數位串列器的輸入是200Mz速率的4位元字，則輸出將是800Mz的串列資料速率。這造成1.25ns的脈衝寬度。此脈衝寬度指定可用於PWM中的時間解析度。圖5顯示從數位串聯器300輸出的實例。PWM具有PWM開啟的開啟週期以及PWM關閉的關閉週期。舉例而言，假定PWM開啟是128脈衝長以及PWM關閉是1920脈衝長，脈衝重複間隔是2048脈衝長，以及工作循環是128/2048或0.0625。在此情形中，PWM產生器將送出32個連續的1111之4位元字，以產生PWM訊號的PWM開啟部份，接續在後的是480個0000的4位元字，以產生PWM訊號的PWM關閉部份。在另一實例中，假定PWM開啟是130脈衝長，則PWM 產生器將送出32個連續的1111之4位元字及1個1100的字、隨後是479個連續的0000的4位元字，以產生PWM訊號的PWM開啟及PWM關閉部份。如同習於此技藝者清楚可知般，可以選取各種數目的開啟及關閉輸出脈衝，以實施由通道區300輸出之所需的PWM控制訊號輸出之工作循環及脈衝重複率。此外，上述實例顯示接收4位元字的數位串聯器320，但是，輸入字可為任何數目的位元以適合數位串聯器320的特定硬體實施。舉例而言，8、12、24、32、48、或64位元輸入字可以作為至數位串聯器320的輸入。
迴路控制器360可以提供控制資訊給PWM產生器310。迴路控制器從配置參數記憶體220接收配置參數(請參見圖2)。這些提供所需的PWM控制訊號的工作循環及脈衝重複頻率有關的資訊。迴路控制器360接著將控制資訊送至PWM產生器310，以致於PWM產生器實施所需的工作循環及脈衝重複頻率。迴路控制器也從數位迴路補償器340及電流保護區350接收輸入。數位迴路補償器提供回饋以驅動DC-DC轉換器的輸出至所需值且於下述中將進一步說明。電流保護區350接收電流資訊及決定是否有過電流情形並提供此資訊給迴路控制器360，迴路控制器360接著傳送過電流訊號OV-電流給PWM產生器310。此訊號促使PWM產生器關機以防止損害DC-DC轉換器或是DC-DC轉換器正供電的任何電路。
類比對數位介面330可從電流感測類比對數位轉換器 接收資料以及從電壓感測類比對數位轉換器接收資料。類比對數位介面330接著提供電壓資訊給數位迴路補償器340及提供電流資訊給電流保護區350。
數位迴路補償器實施數位回饋迴路濾波器。數位回饋迴路濾波器可具有任何所需的階，以造成所需的系統性能。用於數位回饋迴路濾波器的參數可由DC-DC功率轉換器的設計者決定，而且，這些參數可以儲存在配置參數記憶體220中。數位回饋迴路的一優點是其可由複數及/或虛數極實施。此回饋濾波器無法使用離散類比組件實施。因此，設計者在回饋迴路設計上具有大的彈性。
圖4顯示DC-DC轉換器電路及回饋類比對數位轉換器的另一實施例。DC-DC轉換器電路400包含開關405及各種其它離散電路元件。如上所述，用於實施DC-DC轉換器電路400的各種電路可被使用且是習於此技藝者所熟知的。DC-DC轉換器電路400的電壓輸出可以連接至類比對數位轉換器410，以產生表示DC-DC轉換器電路400輸出的電壓之數位訊號VOLTAGE_VALUE。另一類比對數位轉換器420可以從DC-DC轉換器電路400接收類比電流訊號，以產生表示DC-DC轉換器電路400輸出的電流之數位訊號CURRENT_VALUE。來自類比對數位轉換器410、420的輸出可以饋送至通道區300以提供回饋控制。DC-DC轉換器電路400可從通道區300接收PWM訊號PMW-OUT。PWM訊號PMW-OUT控制DC-DC轉換器電路400的輸出電壓位準。
如上所述，數位串聯器320的輸出時脈速率可以控制可供控制DC-DC轉換器的解析度。此時脈速率指定可由數位串聯器320輸出的最小尺寸脈衝並因而指定對來自數位串聯器320的整體輸出脈衝的寬度之解析度。由於數位迴路控制器320調整工作循環，所以，對於固定脈衝重複頻率，開啟脈寬具有由數位串聯器320產生的最小脈衝尺寸之解析度。藉由改變PWM開啟週期的長度以及PWM關閉週期的長度(等於PWM開啟+PWM關閉的脈衝重複間隔因而也改變)，可取得工作循環的較大控制。圖6顯示當PWM關閉週期被調整時來自數位串聯器的輸出之實例。
圖7顯示表格，說明如何改變PWM開啟及PWM關閉時間以取得所需的工作循環。圖7是隨著PWM開啟時間(第一行)相對於脈衝重複間隔(第一列)之作用的工作循環之表格。舉例而言，假定初始所需工作循環是0.0625。藉由使用128位元的PWM開啟時間及2048位元之脈衝重複間隔，可以實施此點。當DC-DC轉換器操作時，數位迴路補償器決定PWM開啟時間應為127.6位元，這導致127.6/2048=0.062305之工作循環。假使僅有PWM開啟時間改變，則由於127(0.062012)及129(0.063988)進一步偏離0.062305，所以，對於PWM開啟，最佳選項維持在128。但是，如表中所示般，假使脈衝重複間隔改變，則具有2049的脈衝重複間隔之128的PWM時間可用以取得比0.0625更接近的0.062469之工作 循環。此外，可以考慮在時間及脈衝重複間隔上之PWM的改變。舉例而言，具有2038的脈衝重複間隔之127的PWM時間可以用以取得0.062315的工作循環，造成與所需的工作循環幾乎相同的工作循環。因此，當數位迴路補償器改變工作循環以取得所需的輸出電壓時，PWM開啟及PWM關閉時間可以改變以決定最佳的PWM設定。此決定由表格搜尋達成，其中，圍繞所需的操作點之脈衝重複間隔及潛在的PWM開啟之表格可以被預先計算及儲存在配置參數記憶體220中。表格的大小可由PWM工作循環的預期變化驅動。替代地，在操作期間可以計算各種替代，以決定用以取得所需的工作循環之最佳的參數組。
上述數位PWM控制器實施例具有各種下述優點。使用Z域中離散時間分析，可以達成用於回饋迴路補償的核心設計，以及，可以使用用於最佳化回饋迴路響應之第二或第三或第四階(或更高階)補償回饋迴路。
集中化FPGA的使用可以提供超過40個PWM通道，以控制DC-DC轉換器中的MOSFET開關。通道數目的唯一限制是可供用於FPGA之接腳數目。
此外，從PWM位元解析度產生之固有的數位雜訊可以降低。在上述提供的實例中，數位串聯器以800MHz運轉，因此，取得1.25ns的解析度。而且，更高的速度是可能的。
由於在使用Z轉換之離散域中實施數位補償迴路，所以，可以容易地使用FPGA內的DSP區。而且，前饋是補 償迴路的一部份，這將增進對於未反應至Vout軌之任何電軌改變/漣波的響應。
由相同通道組，以彈性方式，施加多相位，以及，有電流回饋迴路以確保電流共用，以及，PWM可為相位交錯以降低漣波電流。
對於這些DC-DC控制器的應用可以用於重度負載軌，以及在輕負載的效率並非關心的議題。上述實施例可以偵測輕負載的存在，然後，切換至不連續模式。用於此操作的參數也在時間之前被決定以及被儲存在配置參數記憶體220中。數位迴路補償器240或是迴路控制器360可以決定輕負載存在，以及，將控制切換至不連續模式。
此外，類似於追蹤、電力開啟跳越率、不足/過電壓、電壓輸出修整、最大允許電流、不確定原因非再現問題相對於電流保護佇鎖等所有參數可以儲存在配置參數記憶體220中、以及可以為每一通道而被程式化。而且，用以調整增益及相位寬容度之數位補償參數也可被預先計算及儲存在配置參數記憶體中。
如上述實施例中所述的數位串聯器的使用提供可縮放機制，以使用標準數位串聯器為基礎的構建塊來產生PWM。可以使用此機制，以產生具有數位串聯器的最小位元時間界定之解析度的任何脈衝樣式。
此外，以往的類比解決之道都要求特別化的類比電路並因而侷限於它們能控制的DC-DC功率區塊/(PWM)的數目。上述的實施例由於使用標準的數位串聯器胞以產生 PWM訊號，所以，其更容易縮放。
從上述說明應清楚知道，本發明的各式各樣舉例說明的實施例可以以硬體及/或在硬體上運轉的軟體來實施。此外，各式各樣舉例說明的實施例可以實施成儲存在機器可讀取的儲存媒體上的指令，可由至少一處理器讀取及執行以執行此處詳述的操作。機器可讀取的儲存媒體包含任何機構，以用於以可由例如個人或膝上電腦、伺服器、或其它計算裝置等機器讀取的形式來儲存資訊。因此，實體及非暫時的機器可讀取的儲存媒體包含唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、磁碟儲存媒體、光學儲存媒體、快閃記憶體裝置、及類似的儲存媒體。
習知此技藝者應瞭解，此處的任何方塊圖表示具體實施發明原理之說明式的電路之概念視圖。類似地，將瞭解任何流程圖、流程圖示、狀態轉變圖、虛擬碼、等等代表實質上呈現於機器可讀取的媒體中並由無論是否明確顯示的電腦或處理器如此執行之各種處理。
雖然已特別參考某些舉例說明的態樣以詳述各式各樣舉例說明的實施例，但是，應瞭解本發明能夠具有其它實施例且其詳節能夠具有各式各樣的修改。如同習知此技藝者容易清楚般，在本發明的精神及範圍之內，能夠實施變異及修改。因此，上述揭示、說明、及圖式僅是用於說明且絕非要限定本發明，本發明僅由申請專利範圍界定。
100‧‧‧直流對直流電源器
110‧‧‧運算放大器
120‧‧‧比較器
130‧‧‧斜波產生器
140‧‧‧升壓轉換器
142‧‧‧電感器
144‧‧‧切換電晶體
146‧‧‧二極體
148‧‧‧電容器

Claims (10)

  1. 一種由脈波寬度調變(PWM)控制器執行的方法，該方法包括：接收包含脈波寬度調變參數的控制輸入；產生對數位串聯器的輸入，其中，該輸入造成數位串聯器輸出，該數位串聯器輸出是根據該脈波寬度調變參數而被脈波寬度調變；接收待包括於回饋控制輸入中的電流感測資料與電壓感測資料；以及，根據該回饋控制輸入，修改對該數位串聯器的輸入。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該產生對數位串聯器的輸入包含產生複數數位字以產生脈波寬度調變輸出。
  3. 如申請專利範圍第1及2項中任一項之方法，其中，該回饋控制輸入包含數位地濾波該脈波寬度調變輸出。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，更包括接收數位濾波器參數以數位地濾波該脈波寬度調變輸出。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，修改對該數位串聯器的輸入包含決定該PWM調變的修改的工作循環以及選取造成最接近該修改的工作循環之工作循環的該PWM調變的開啟時間及關閉時間。
  6. 一種脈波寬度調變(PWM)控制器，包括：數位串聯器，配置成接收平行輸入資料串及根據該輸 入的平行資料串而產生輸出串列資料串；以及，迴路控制器，包含連接至該數位串聯器的輸出端及配置成接收待包括於回饋控制輸入中的電流感測資料與電壓感測資料的輸入端，其中，該迴路控制器配置成根據該回饋控制輸入而輸出平行輸入資料串給該數位串聯器，而其中，來自該數位串聯器的輸出串列資料串具有所需的脈波寬度調變參數。
  7. 如申請專利範圍第6項之脈波寬度調變控制器，其中，該平行輸入資料串包含複數數位字以產生該脈波寬度調變輸出。
  8. 如申請專利範圍第6及7項中任一項之脈波寬度調變控制器，又包括數位濾波器，配置成將該脈波寬度調變輸出濾波。
  9. 如申請專利範圍第8項之脈波寬度調變控制器，其中，該數位濾波器配置成接收數位濾波器參數以將該脈波寬度調變輸出數位地濾波以及提供回饋訊號給該迴路控制器。
  10. 如申請專利範圍第6項之脈波寬度調變控制器，其中，該迴路控制器配置成決定該PWM調變的修改工作循環以及選取造成最接近該修改的工作循環之工作循環的該PWM調變的開啟時間及關閉時間。
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